慣性那些事兒

王洪鵬

“坐地日行八萬里，巡天遙看一千河。”的確如此，地球自轉(zhuǎn)的線速度是相當(dāng)大的。有的人可能會突發(fā)奇想，我如果不停地跳起，就可以不花交通費(fèi)旅行了。這可能嗎？

什么是慣性

在回答這個問題前，我們可以去中國科技館探索與發(fā)現(xiàn)展廳參觀一件有意思的展品。這件展品可以展示在勻速運(yùn)動的小火車上彈球保持慣性運(yùn)動。展臺邊緣有一個操作按鈕，小火車車廂頂部有一個小孔，可以向上拋起小球，我們可以按動按鈕選擇讓小火車以較快的速度和較慢的速度行駛。通過觀察發(fā)現(xiàn)，不論小火車以較快的速度還是較慢的速度行駛，向上拋起小球，小火車穿過橋梁以后，小球還是落回原處。其實，這些現(xiàn)象都可以用慣性定律來解釋。由于人隨地球一起運(yùn)動，當(dāng)人跳起來以后，由于慣性，人還保持原來的運(yùn)動速度，落下的時候，人運(yùn)動的距離與地面轉(zhuǎn)過的距離相等，所以人仍然落回原處。勻速的小火車上彈球保持慣性運(yùn)動也是同樣的道理。

科學(xué)發(fā)展之路往往不是一帆風(fēng)順的，其間充滿了艱難曲折，慣性定律的發(fā)現(xiàn)也和其他科學(xué)發(fā)現(xiàn)一樣，經(jīng)歷了漫長而曲折的歷程。慣性定律又叫牛頓第一運(yùn)動定律，其內(nèi)容是任何物體在不受任何外力的作用下，總保持勻速直線運(yùn)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。慣性是一切物體固有的屬性，無論是固體、液體或氣體，無論物體是運(yùn)動還是靜止，都具有慣性。質(zhì)量是慣性大小的唯一量度。

慣性概念的演變

慣性概念來源于人類的生活實踐，在慣性定律建立之前早就產(chǎn)生了。慣性概念的演變是古代和中世紀(jì)的自然哲學(xué)過渡到近代物理學(xué)的最重要標(biāo)志之一。

亞里士多德認(rèn)為機(jī)械運(yùn)動有自然運(yùn)動和強(qiáng)迫運(yùn)動，如馬拉車行駛、奴隸曳船行駛，這些運(yùn)動必須有推動者，即運(yùn)動必須有外力維持，否則就歸于靜止。他認(rèn)為“一切運(yùn)動的物體必定受某物的驅(qū)動”。千百年來人們都相信亞里士多德的說法——外力是物體產(chǎn)生并維持運(yùn)動的原因。亞里士多德是根據(jù)對現(xiàn)象的觀察、直覺推理方法得出結(jié)論的，他沒有想到用實驗來驗證，在他的思想中對慣性沒有任何認(rèn)識。

在隨后的兩千多年中，許多先哲提出與亞里士多德不同的觀點(diǎn)。早在公元前4世紀(jì)，古希臘的伊壁鳩魯就已經(jīng)猜測過，如果原子在虛空里沒有受到任何其他東西的沖撞，一定以相等的速度向前運(yùn)動。我國春秋戰(zhàn)國時期的《墨經(jīng)》不僅給出了力的定義——“力，刑之所以奮也”，還有關(guān)于慣性的論述。墨子認(rèn)為“動”是由于力推送的緣故，更為重要的是他提出了“止，以久也，無久之不止，當(dāng)牛非馬也”的觀點(diǎn)，意思是物體運(yùn)動的停止來自于阻力阻抗的作用，如果沒有阻力的話，物體會永遠(yuǎn)運(yùn)動下去。這些先哲的觀點(diǎn)都是從一定哲理出發(fā)的猜測和推理，缺乏實驗根據(jù)，但都沖擊著亞里士多德的斷言。

在亞里士多德及其學(xué)派那

里，力被定義為“持續(xù)維持物體運(yùn)動的原因”。在現(xiàn)實生活中，由于總是存在摩擦力，人們自然而然地產(chǎn)生了“物體必須有外力才能運(yùn)動”的直觀看法。這雖然符合常識見解，但這是不正確的。

慣性原理的出現(xiàn)

第一個認(rèn)識慣性重要性的人是伽利略。他在為哥白尼日心說辯護(hù)時，已提出最初的慣性原理。1632年，在《關(guān)于兩大世界體系的對話》中，伽利略認(rèn)為地球帶著大氣層繞太陽運(yùn)動天然地不需要推動力，他通過思想實驗，斷言從行船桅桿上下落的石塊將會落在桅桿腳下。1638年，在《關(guān)于兩門新科學(xué)對話》中，伽利略在進(jìn)行理想斜面實驗時又提到慣性原理。為了保證每次小車到達(dá)水平面時有相同的速度，同一小車從同一斜面上的同一位置由靜止開始滑下。第一次在水平面上鋪上毛巾，小車在毛巾上滑行很短的距離就停下了;第二次在水平面上鋪上較光滑的棉布，小車在棉布上滑行的距離較遠(yuǎn);第三次是光滑的木板，小車滑行的距離最遠(yuǎn)。

伽利略認(rèn)為，是平面對小車的阻力使小車停下，平面越光滑，小車受到的阻力就越小，滑行也就越遠(yuǎn)。伽利略對實驗進(jìn)行分析，認(rèn)識到運(yùn)動物體受到的阻力越小，它的運(yùn)動速度減小得就越慢，維持物體運(yùn)動的時間就越長;他還進(jìn)一步通過推理得出，在理想情況下，如果水平表面絕對光滑，物體受到的阻力為零，它的速度將不會減慢，并將以恒定不變的速度永遠(yuǎn)運(yùn)動下去。

伽利略就是這樣把實驗、物理思想與數(shù)學(xué)演繹有機(jī)地結(jié)合起來推出了慣性原理。他的研究方法開辟了近代物理學(xué)研究的先河，為后人的研究開辟了一個新的研究模式，激勵人們沿著正確的科學(xué)研究途徑去尋找和探索真諦。

遺憾的是，伽利略沒有正確地走完最后一步。伽利略雖然發(fā)現(xiàn)了慣性原理，但他并沒有完全擺脫亞里士多德的影響，盡管他明確地指出在無摩擦無邊際的水平面上運(yùn)動將是永恒的勻速直線運(yùn)動，但在其他地方，卻一再強(qiáng)調(diào)均勻圓運(yùn)動才可能是天然的和永恒的。

慣性原理也是笛卡兒機(jī)械論哲學(xué)的基石之一。笛卡兒認(rèn)為：“每一個粒子總是保持運(yùn)動狀態(tài)不變，直至別的物體與它接觸迫使它改變?！钡芽柕恼撌鐾黄屏速だ运O(shè)想的“水平面”的局限，因此一般認(rèn)為笛卡兒的《哲學(xué)原理》的出版標(biāo)志著近代慣性原理的提出。

慣性定律的構(gòu)建及局限

18世紀(jì)，英國著名的詩人亞歷山大·蒲柏寫下贊頌牛頓的詩句：“自然界和自然定律都隱藏在黑夜之中，上帝說‘讓牛頓出世吧！于是一切光明。”

正是讓世界“光明”的牛頓把慣性思想綜合概括為科學(xué)定律，其準(zhǔn)確、精煉而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋硎鲂问揭恢毖赜弥两?。慣性定律一旦構(gòu)建，牛頓動力學(xué)的其余部分很快就完成了。

慣性定律是通過分析事實，再進(jìn)一步概括、推理得出的。慣性定律的建立具有深刻的哲學(xué)意義，它告訴我們慣性是所有物體具有的本性，打破了地上運(yùn)動和天上運(yùn)動的人為界限，統(tǒng)一了宏觀與微觀的運(yùn)動。由此出發(fā)，可順利研究物體運(yùn)動狀態(tài)改變的原因，它是牛頓第二、第三運(yùn)動定律的基礎(chǔ)。

不過，慣性定律也有一定局限性，因為這個定律的適用條件是“只有在慣性參考系下才成立”。

慣性定律還有循環(huán)論證問題。定律成立的條件是慣性參考系，但怎樣判斷物體受沒受外力和怎樣判斷所使用的參考系是不是慣性系這兩件事，要同時靠物體是否在做慣性運(yùn)動來決定。因此，該定律含有一定的“循環(huán)論證”或“邏輯循環(huán)”的性質(zhì)，但作為力學(xué)中具有公理性質(zhì)的定律，這是難以避免的。

在經(jīng)典力學(xué)被相對論取代之后，我們對慣性的理解也有了很大發(fā)展。在創(chuàng)建廣義相對論以后，愛因斯坦使慣性定律變得更有包容性：“物理學(xué)定律比牛頓所想象的情況簡單得多……根本不存在偏離慣性定律的情況，所有運(yùn)動都是慣性運(yùn)動，所有物體完全沿著時空的自然等直線運(yùn)動?！?/p>

【責(zé)任編輯】趙新宇