郭 釗

摘要本文對經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)現(xiàn)行的慣性觀提出了不同的看法,認為對于慣性要區(qū)分:個別對象的性質(zhì)與存在的性質(zhì);保持某種狀態(tài)的性質(zhì)與改變某種狀態(tài)的性質(zhì);物的動力學(xué)特性與審美性。

關(guān)鍵詞慣性 存在 時間 空間

中圖分類號:O41 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-0592(2009)05-376-01

慣性是經(jīng)典力學(xué)中的一個基本概念,同時它又是人們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€基礎(chǔ)性觀念,并且慣性也是經(jīng)常被物理學(xué)界討論的一個話題?？墒?盡管經(jīng)典力學(xué)經(jīng)過了漫長的時期,大部分的物理教師在此問題上還存在著很多的混亂性,本文試從幾個方面對慣性進行了討論,望引起大家的共識。

一、慣性的意義

大家知道,慣性是物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的性質(zhì)。一個物體,只要不受外力作用,原來靜止的就會一直靜止下去,而原來運動的則會一直作勻速直線運動。這里的問題在于:慣性是否是物體的性質(zhì)?依據(jù)牛頓第一運動定律,任何物體均具有慣性。因而,看來慣性不是被研究物體的性質(zhì),因為這一性質(zhì)是一切物體所具有的,也就是說它與物體的個別特征無關(guān)。因而,慣性只能是存在的一個特征,是被研究對象周圍的環(huán)境在此對象上的表現(xiàn)。換一句話說,它是存在于物體周圍的一種條件,一種約束。

二十世紀(jì)初,德國數(shù)學(xué)家諾特爾證明了:空間平移對稱性導(dǎo)致動量守恒、空間轉(zhuǎn)動對稱性導(dǎo)致角動量守恒、而時間均勻性導(dǎo)致能量守恒。事實上,物體的慣性是時間均勻性與空間對稱性的必然結(jié)果。因而它與個別的特殊研究對象無關(guān)。慣性不是個別存在物的性質(zhì),個別存在物只是慣性的顯現(xiàn)者,慣性的本質(zhì)與個別存在物的特性無關(guān)。從而我們就不能用反映個別存在物性質(zhì)的量(例如質(zhì)量)來測度慣性。因為慣性作為存在的一種顯現(xiàn),并無大小可言,它只是存在之狀態(tài)的表達。

二、慣性與物體運動狀態(tài)變化的難易程度無關(guān)

通常認為質(zhì)量是物體慣性大小的量度是據(jù)于這樣的理由:質(zhì)量大的物體在相同的力作用下其運動狀態(tài)不容易改變。這是由牛頓第二定律所得到的基本結(jié)論。而事實上物體運動狀態(tài)是否變化,物體運動狀態(tài)的變化是難還是容易是與慣性無關(guān)的。慣性所揭示出的物體之性質(zhì)不在于其使(或抗拒)物體運動狀態(tài)的改變或代表改變的難易程度的能力,而在于它的保持某種特定狀態(tài)(靜止或勻速直線運動)的本領(lǐng):在最相似的物之間,錯覺說著最巧妙的謊;最小的罅隙是最難度。因而慣性與物體的質(zhì)量無關(guān)。倘若慣性與物體的質(zhì)量有關(guān)的話,則我們也可以說力與慣性也有關(guān)系。因為對于相同質(zhì)量的物體而言,力越小其運動狀態(tài)就越難改變。因而,也即力越小物體的慣性越大。事實上,在慣性概念發(fā)展的最初時期,牛頓就將慣性與力進行等價的思考,當(dāng)然現(xiàn)在大家知道牛頓的把慣性等同于力的思想是錯的了。如果要說質(zhì)量與慣性確有聯(lián)系的話,作者以為也只能從這樣的一個視角來看:慣性是由其表現(xiàn)物體周圍存在著的與時空有關(guān)的天體質(zhì)量分布情況決定著的性質(zhì)。這是因為,根據(jù)廣義相對論,空間的性質(zhì)是由天體質(zhì)量的分布所決定的。至于時間,自從奧古斯丁提出“什么是時間?”以來,人們還沒有認清它的真面目,也因而從更深的層次上而言,人們只認識到什么是慣性而還沒有搞清慣性是什么。

慣性不是一種由個別物體自身所具備的原因(誠然,所有物體均會表現(xiàn)出慣性),它不是我們的一種吃力的、需要支撐的、痛苦感的反映,事實上,它是存在之美感的綻開。因而“慣性是物體對任何改變其運動狀態(tài)的外來作用的阻抗的性質(zhì)”這樣一種說法就是不當(dāng)?shù)?。因為這一注釋還是從對牛頓第二定律的基本而來的,在這一注釋中已經(jīng)隱藏了牛頓第二定律及對慣性與物體質(zhì)量等價的認同感。其實,慣性是一種令人十分安全的、舒適的、和諧的存在之性質(zhì),它使物體的存在行為非常簡單,而人們也往往由于常見到這種存在的簡單性而忽視了它的深層含義。靜止的永遠靜止,運動的永遠作勻速直線運動,慣性就是將存在如此單調(diào)而重復(fù)地顯現(xiàn)在人們眼前。凡是背離了這兩種物體的存在情況而用慣性去解釋其存在原因的,作者以為均屬一種不當(dāng)?shù)脑庌q行為。

三、慣性定律的表述方式

牛頓第一定律是動力學(xué)定律的基礎(chǔ),但它本身并不表征物體的某種動力學(xué)性質(zhì),它是關(guān)于人類體認自然之美、自然之和諧的陳述。據(jù)于上面的論述,對牛頓第一定律的陳述方式作以下的要求是并不過分的:反映時間的均勻性,空間的對稱性,及自然之美對人的呈現(xiàn)?？墒?現(xiàn)行的許多教科書中對牛頓第一定律的陳述是很不一致的。當(dāng)然,這種不一致性用老眼光來看是無傷大雅的,但以今天的眼光來看,這種差異性就成為值得商討的了。 另外一種常見的陳述方式是:一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài),直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。這樣一種表述比前一種完整多了,它幾乎就是牛頓的原義,但這里的“一切物體”應(yīng)當(dāng)換成“任何物體”。因為在此論述中的“任何物體”實際上是對一切物體的否定,而“有外力”應(yīng)當(dāng)換成“其它物體的作用”,因為慣性定律是不涉及力的,操作意義上的力這個動力學(xué)的基本概念與慣性無關(guān)。

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