浅论惯性的本质和起源

摘要：大家知道：物体自身的重力，也就是牛顿用他的万有引力定律雄辩的证明了的地球作用于物体的引力，从古至今就一直客观的存在着。然而，由于牛顿是在伽利略、笛卡儿等人的基础上首先建立了三大运动定律，然后才运用第二运动定律和开普勒行星运动第三定律导出了引力定律，再然后牛顿才逐渐地认识到了引力的“普遍性”或“万有性”。所以说，牛顿运动定律自然就没有体现出物体自身的引力亦即重力这一作为内因的内力与物体运动的重要关系。因此，由牛顿运动定律给出的物体运动与力的关系以及牛顿运动定律本身，就不是最完美，最科学的终极真理，而是在一定的客观历史条件下人类所达到的带有逻辑思维漏洞的，对客观事物一定程度、一定层次的相对正确的反映，它们是可以深化、发展和进一步完美、完善的。

关键词：惯性

　　大家知道：力学是物理学中发展最早的一个分支，它和人类的生活与生产联系最为密切。和物理学的其他部门相比，力学的研究经历了更为漫长的过程，几达两千年之久，才由伽利略把科学思维和实验研究结合到一起，为力学的发展开辟了一条可行的道路。牛顿在此基础上最终建立的经典力学体系不愧为全部自然科学的主导和领军学科。然而，牛顿为后人也留下了太多的难题。
　　引力的本质和作用机制是什么？
　　惯性的本质是什么？是怎样起源的？
　　同一物体的惯性质量与它的引力质量为何相等？
　　后来发现的库仑定律与万有引力定律为何如此的十分相似？它们的相似是科学上的一种巧合？还是在更深奥的本质上存在着内在的逻辑上的联系？
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　　“有待探索的真理的海洋”一直展现在牛顿和他的追随者的面前。
　　后来人总要吸收前人的聪明才智，因而人类的认识总是要向上发展的。只要我们从本文开头所列举的事实中敢于怀疑并大胆的确认牛顿运动定律是非终极真理，并能够正确的运用更辉煌、更伟大的牛顿引力理论的巨大成就，修补运动定律的逻辑思辨漏洞，力学中很多重要的基础理论问题其实也不难解决。
　　让我们先从惯性定律谈起。
　　大家都很清楚，今天的力学教材中普遍就是这样阐述的：伽利略首先发现，运动物体之所以会停下来，是因为受到了摩擦阻力的缘故，他根据从斜面实验中得到的近似的结论进一步作了合理的推想之后而断言：一旦物体具有某一速度，只要没有加速或减速的原因，此物体将永远以这一速度运动下去。伽利略的这个从理想实验中得到的结论隔了一代以后由牛顿把它写成了惯性定律——牛顿力学理论大厦的基础。

　　在惯性定律的基础上，牛顿根据两个实验结论，即加速度与外力的正比关系和加速度与质量的反比关系，进一步建立了第二运动定律。
　　牛顿力学巨大的历史功绩和其自身的辉煌成就无庸质疑。然而，牛顿运动定律为何又无法明确的说明习以为常的惯性的本质和起源呢？
　　爱因斯坦在《物理学的进化》一书中谈到：“一辆四匹马驾的车比一辆两匹马驾的车运动得快一些。”同样：一辆四匹马驾的空车比车上装满重物时跑得快。这样，直觉告诉人们，物体运动的状态根作用外力有关，同时的确还跟自身的重力即引力有关。
　　牛顿运动定律告诉人们，质量大的物体惯性大，质量是物体惯性大小的量度。我们应该清楚，惯性概念来源于人类的生活实践，在惯性定律建立之前早就产生了，在古希腊时代就已经存在，春秋战国时期，我国伟大的《墨经》一书就对运动的相对性……惯性等物理现象作了分析说明。今天的人们根据牛顿万有引力定律知道：在地球表面，凡有质量的物体因其自身的引力必然具有重力这一内力。重力、引力是任何物体必然自身携带的内力，是物体的共性，是和物体的质量不可分离的内禀性质。物体的这一作为内因的内力时时刻刻都在参与制约着物体自身的运动行为，因此抛开物体自身的引力、重力这一内因来谈论物体惯性的本质和起源，就是毫无意义的。大家清楚，质量大的物体重量也大。在相同外力的推动下，重的物体不易起动，惯性大；轻的物体易起动，惯性小。可见，重量同样可以用来量度物体的惯性。
　　如果物体的惯性果真是由物体的引力本性引起的。那么，在建立的过程中，由于伽利略—牛顿当时根本没有引力观念而将物体自身的引力、重力这一内因与物体运动的这一层关系排除在外的，带有逻辑思维漏洞的牛顿运动定律自然就无能为力将物体惯性的本质和起源看成是由物体的引力本性引起的。
　　那么，无法说明惯性的本质和起源，带有逻辑思维漏洞的牛顿第二定律——动力
　　学方程，又为何能够成为人类认识自然、改造自然的强大武器呢？
　　大家清楚：根据牛顿后来发现的万有引力定律我们明确的知道，在地球表面的同一地方，任何物体的质量与它的重量严格的成正比。因此，如果物体的惯性是由物体的引力产生和决定的。那么，在近代物理科学普遍采纳的数理逻辑的基础上，在一定的客观历史认识水平的局限下，牛顿借用质量概念或者借用重量概念来建立动力学方程，在数学效果上必然就是完全等效的。但质量的本质含义是指物体所含物质的多少，而重量是物体受到的重力即地球引力的量度。所以，如果牛顿是借用重量概念建立了第二运动定律，那么在万有引力定律被发现后，人们知道了重力与引力的关系后，自然就会把惯性的本质和起源归结到物体的引力本性上来。
　　但是，由于在伽利略和牛顿建立运动定律的时代，人类还没有能够从引力的这一高度明确地认识到重力是自然界物体本身所固有的属性，是物体无法回避而必须要受到的制约物体运动状态的内力。因此，牛顿的思维就仍然的受到了传统观念的影响；既然在第一定律的意义下把惯性看成是物体在不受力时所具有的保持原来运动状态的属性，那么牛顿就自然而然的“蔑视”了轻物体容易起动，重物体不易起动的事实，抛开了物体自身的重力对运动的制约作用，引进了质量的概念，建立了动力学方程。这样， 牛顿第二定律在第一定律的基础上就仍然的把物体惯性的产生机制——重力、引力排除在运动定律之外了。质量这一物理量的本质含义是指物体所含物质多少的量度。既然物体的重力、引力客观存在，那么任何物体所含的物质内部必然存在着可以持续不断的产生和接受引力的机制，因此，质量大的物体引力也大。如果物体的惯性是由引力产生的，质量大的物体所含的物质多，产生的引力就大，因而惯性也大。因此利用质量概念建立的动力学方程就无法说明惯性的本质和起源。同样，利用动力学方程和开普勒第三定律导出的引力定律也无法说明引力的作用机制。所以说，动力学方程就是数学意义明确，物理终极意义模糊，在“只知其然而不知其所以然”的数理逻辑的指导作用下建立的非终极真理——物理实验定律。
　　我们看到：在惯性定律建立的过程中，摩擦力是一个非常特殊的至关重要的概念。显然，伽利略和牛顿都认为，使运动物体减速的原因——摩擦力，跟物体受到的拉力或推力一样，也是物体受到的外力。事实上，摩擦力根本不同于物体受到的拉力或推力等外力。摩擦力也和重力、引力一样，质量是决定它的大小的最主要的因素。比如，一辆汽车受到的摩擦力往往大于一辆人力车受到的摩擦力。但一个物体受到的其他物体施加给它的拉力或推力等外力的大小单纯由外在因素所决定，与物体本身的质量的大小等物理属性毫无关系。大家应该清楚，摩擦力有一个经验公式——摩擦力的大小等于物体对地面的正压力乘以摩擦系数。而一般情况下，即没有特殊的外因增加正压力时，物体对地面的正压力其实正好就是物体自身的重力，于是摩擦力与重力、引力严格的成正比关系。可见，摩擦力与物体的重力、引力这一内力有着密不可分的逻辑内在联系。摩擦力与拉力和推力等外力的区别至少还有四个方面，在这篇广告性的短文中也就不再多说了。总之，物体相对于静止的大地运动时，物体自身的重力、引力是产生摩擦阻力的先决条件。所以在相对于静止的地面的机械运动中，物体受到的摩擦阻力，是由物体自身的引力—重力这一内禀性质决定的物体的“次级内禀性质”，是物体的引力—重力这一作为内因的内力参与制约物体的运动状态的具体表现形式。物体相对于静止的大地处于静止状态还是运动状态，完全就是由物体受到的拉力或推力等作为外因的外力和物体自身的主要由质量—引力—重力决定的最大静摩擦力这一作为内因的内力这两方面的相对强弱来决定的。
　　现在，我们就可以解释和回答争论了三个多世纪的惯性的本质和起源这一问题了。
　　今天的人们，在运动定律的基础上，有了更伟大、更辉煌的牛顿引力理论作为认识自然现象的更重要的思想理论基础。我们就
　　应该清晰的看到：地球表面的物体，因其自身的引力、重力这一内禀性质，在地面上静止时便产生了静摩擦力。万物正是由于自身的静摩擦力这一内禀性质，防蔽了自然界的“风吹草动”等外来因素，因而物体才具备了能够相对于地面保持静止这一性能。一句话，静止这一惯性特性的内在机制归根结底就是物体的万有引力这一作为内因的内力、内禀性质。
物体在地面上运动的过程，也就是外力克服摩擦阻力对物体做功的过程。根据功能原理，运动物体将同时获得一定大小的动能，物体也就相对于大地具有了一定大小的速度。运动物体所受到的外力停止作用后，动能在摩擦阻力做负功的作用下立即减小，但减至为零必有一个时间过程。因此运动物体在停止受力后并不立即转入静止状态。这就是物体具备“继续”保持其运动状态这一惯性特性的合情合理的内在机制。这一解释与在牛顿运动定律的基础上建立起来的功能原理、动能定理等更系统的力学理论是多么的协调一致，难道不算是十分完美的惯性运动的本质和起源的正确解释吗？
　　根据运动物体所受的外力停止作用后，动能在摩擦阻力做负功的作用下立即减小这一理论上的和实践中非常容易观察到的事实来判断，物体的惯性运动一定是减速运动，物体根本不可能具备由第一定律定义的在“停止受力后还能保持匀速直线运动的状态” 这样的性能。所有的力学教科书在讲述了第一运动定律之后，立即便对惯性下了这样的定义：“物体的这种保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质叫做惯性。”并进一步写道：（所以）牛顿第一定律又叫做惯性定律。
　　我们已经说过，惯性概念来源于生活实践，它在第一定律建立之前早就已经产生了。用力推、拉物体或小车之后，静止的物体或小车开始运动；停止推、拉的作用后，物体或小车因“惯性”而运动。这恐怕就是产生惯性概念的最初源泉。所以，惯性首先应该就是物体可以表现出来的，我们人类确确实实能够感受到的物体的习以为常的性能。牛顿第一定律所讲的只是一种想象中的理想化了的状态。物体不可能处于理想化的状态中，因此物体也就无法表现出由牛顿第一定律定义的那样的惯性。那么？人们为何又要根据牛顿第一定律来定义惯性的标准概念，并反过来根据惯性的“标准定义”又将第一定律提升为“惯性定律”呢？这个紧密联系着长达二千多年的历史认识过程的问题在这篇广告性的“短文”中就不再阐述了。
　　正因为第一定律描述的只是一种理想化了的状态，因此第一定律从本质上讲就是一座“空中楼阁”。但建立 “惯性定律”这座空中楼阁是力学发展的必经之路。当力学从古代的静力学进入到近代的静力学并由伽利略将它发展成运动学之后，牛顿所面临的选择就是要寻找运动和力关系的数学方程。今天的人们，在更伟大、更辉煌的牛顿引力理论的基础上，应该清晰的认识到：在地表水平面上，物体的引力—重力—摩擦阻力这一作为内因的内力的作用，就是将物体静止在地面上；物体可受到也可以不受的纯粹由外因引起的拉力或推力等外力就是使物体运动的原因。的确，一旦承认引力—重力—摩擦阻力是物体的内力、内禀性质，将物体的这一内力包括在更科学的“物体的概念”之内，就可以在理论上和现实中对匀速直线运动获得统一的认识：物体的匀速直线运动需要外力来维持。综合牛顿第二定律，我们将得到更为科学的结论：外力的作用不但体现为物体的加速度，而且体现为物体的速度。显然，只有当物体受到某一方向的持续不断的大于物体最大静摩擦力的外力的作用时，物体才由静止状态进入到加速运动状态；当物体加速到单位时间内摩擦力所做的负功正好等于外力对物体所做的正功的绝对值时，物体就以此时的速度继续做匀速直线运动。运动与力的关系是如此的复杂，然而三个多世纪之前的牛顿祖师所面临的情况就是“巧妇难为无米之炊”。
　　牛顿在伽利略等人的基础上建立起来的第一定律的伟大功绩，恰恰是因为它适应了当时的客观历史认识条件的局限性的要求。牛顿只有在第一定律中将匀速直线运动和静止状态放到同一高度，根据伽利略斜面实验的近似结论，用假想的摩擦力完全不存在时的“合理结论”，将外力与匀速直线运动的这一层关系过滤掉，他才能找到在第一定律的作用下简化了的第二定律的数学方程。否则，牛顿怎么能够超越于日常的生活经验的直觉——速率主要是跟作用力有关（即爱因斯坦后来所说的“一辆四匹马驾的车比一辆两匹马驾的车运动得快”）“违心”的建立作用力仅仅只跟加速度有关的第二定律的数学方程呢？
　　在没有引力观念，无法对物体的静止状态的深奥内涵获取明晓的认识，根本不可能对物体的受力情况作出完整的科学分析的历史条件下，牛顿的思维只有蹬上“惯性定律”这座空中楼阁，巧妙地引入实际上是包括了重力、引力在内的一切对物体的运动状态产生影响的所有的环境因素的总和——合外力的概念之后，他才能“看到”简化了的“外力”与加速度的数量关系。否则,即使牛顿再天才一倍，在当时的客观历史认识水平的局限下，不但不可能找到完美的精确的运动与力的数量关系，而且也不可能找到简化了的运动与力的数学方程——牛顿第二定律。
　　第一定律与第二定律的这种逻辑缺漏与相互补充的关系，犹如一个双目失明的人背着一个只有一条腿的人，两者组成了“协调一致”的“可行走”的人。
　　本想写一篇广告性的短文，但由于本文所涉及的题材确实重大，而观点又似乎是太“离经叛道”，文字少了便没有说服力，因而自然而然的写了这么多，那就到此为止吧？关于惯性力到底是不是虚拟力，用牛顿引力理论弥补运动定律的逻辑漏洞，惯性质量与引力质量相等的理由，现代科学中的“惯性原理”等问题的讨论将在其它几篇文章中阐述。