谈对惯性概念的认识

谈对惯性概念的认识
摘要：惯性是当前物理学中的基本概念，也是当前物理学研究的重点。

惯性是物理学中出现最早，研究最多的概念，是多种物理学家进行研究与分析的过程。

这一极为普通和平凡的概
念曾经引导许多物理学家深入思考和剖析，通过多种试验与结论，使得企业物理学发展过程
中有着不可替代的重大作用，是促进物理学重大进展的前提。

其中蕴涵着深刻的物理思想和
丰富的物理学研究方法的教益，是当前物理学研究的主要理论知识和未来研究的过程。

关键词：物理学；惯性；牛顿
1 惯性概念的肇始和牛顿的综合
惯性一般是指物体不受外力作用时，保持其原有运动状态的属性。

人们对于惯性这一认识有
赖于惯性定律的建立，而它则依赖于对于力的认识以及区分运动状态和运动状态改变的认识，这一点在人类认识发展史上经历了漫长的岁月。

在人类历史上，早在两千多年前哲学家就对惯性进行严格的思考与讨论，并总结出其知道的
意义，随着这个研究过程中存在着多数错误与不正确的说法，然而在当时的环境制约之下能
够提出这种说法，无疑是一个巨大的变革、是人类思想上的一次解放过程。

认为圆周是完善
的几何图形，圆周运动对于所有星体都是天然的，因而是自然运动；另外，地球上的物体都
具有其天然位置，重物趋于向下，轻物趋于向上，如果没有其他物体阻碍，物体力图回到天
然位置的运动也是自然运动；其他所有形式的运动则都是强制运动。

他还进而指出，关于物
体的强制运动，只有在外力的不断作用下才能发生；当外力的作用停止时，运动也立即停止。

从这里可以看出亚里士多德肯定了两点：（1）自然运动不涉及曳力的问题，只有强制运动
才存在力的问题；（2）力是物体强制运动的原因。

从今天来看，这显然是错误的，然而它
束缚了人们近两千年。

2 惯性与能量
对于惯性认识的一个重要进展是惯性与能量的关系。

能量是物理学里普遍关注的问题。

运动的物体有动能；相互作用的物体有势能，如重力势能、引力势能、电势能等等；其他还有热能等等。

在研究弹性变形体和流体的运动时，人们认识
到经受应力的物体的势能分归属于物体的每一部分，而流体的输运则伴随有能量的传送。

麦
克斯韦电磁场理论建立和被赫兹电磁波实验证实之后，人们认识到电磁作用是通过场实现的，电磁场的实在性在认识上开始形成，场中不仅贮存有能量，能量的传送也是通过场来传输的，即存在能流：能流与场的动量联系在一起。

人们研究电子的运动，运动电子周围存在变化的
电场，变化的电场又产生磁场，两者的共存又导致存在能流和动量，它们同电子的速度平行。

因此这一附加的动量意味着电子存在附加的惯性质量。

有一时期，甚至有人猜测可能电子的
全部质量来源于电磁场。

这里第一次遇到电磁能量的惯性，提示了惯性与能量的联系。

能量具有惯性拓宽了对于惯性的认识，也拓宽了对于能量的认识。

它带来的重大实用价值就
是核能的释放。

在裂变反应中，裂变产物的静质量小于裂变前物质的静质量，质量亏损释放
出大量裂变能；在聚变反应中，聚变产物的静质量小于聚变前物质的静质量，质量亏损释放
出大量的聚变能。

它也使得人们很好地认识许多物理现象，包括涉及物质的全部质量与能量
转化的正反粒子对的产生和湮没过程。

3 牛顿的绝对空间和马赫原理
牛顿深知他的力学理论中的这一脆弱的根基。

他提出的解决办法是引入绝对空间。

他想信存
在绝对空间，“绝对空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”，这样就可以在绝对空间里区别物体是处于静止、匀速运动还是变速运动，从而也就能够确定
惯性系和非惯性系。

为了说明绝对空间和绝对运动的存在，他提出一个著名的“水桶实验”，
其大意如下。

一个盛有一半水的桶挂在拧得很紧的绳子上，松开手后，桶和水的运动经历以
下三种情形：（1）开始，桶在绳恢复原有状态的作用下快速旋转，由于水和桶的粘滞力很小，水尚未旋转起来，水面是平的；（2）在粘滞力长时间的作用下，水和桶一起旋转，水
受到惯性离心力的作用向桶壁挤压，水面呈下凹形；（3）让桶突然静止，水仍在旋转，水
面仍然是下凹。

牛顿分析以上实验结果认为，在（1）、（3）两种情形，水对于桶都有相对
运动，但前者水面是平的，而后者是下凹的，在（2）、（3）两种情形，无论水对于桶是否
有相对运动，水面都是下凹的，因此，水对于桶的相对运动不是水面下凹的原因，水面下凹
的真正原因在于水在空间里作绝对转动，受到惯性离心力造成的。

这说明存在着可以观察出
物体作绝对运动的绝对空间，加速度是绝对的。

4 惯性质量和引力质量
发展一种新的理论，仅有哲学上的启迪和对于旧理论的批判是不够的，还需寻找建立新理论
的突破口。

爱因斯坦建立广义相对论的突破口来自三百年前伽利略的另一项重要贡献。

所有物体的重力加速度均相同，反映的是任何物体的惯性质量与引力质量相等。

根据牛顿定律，作用在物体上的外力等于物体的质量乘以获得的加速度，这里的质量是物体的惯性质量；另一方面，物体下落时，作用在物体上的力是地球对它的吸引力，它与物体的引力质量成正比。

既然物体在重力作用下加速度不依赖于物体，则引力质量与惯性质量成正比；选取相同
的单位，两者相等。

看来惯性质量和引力质量相等是一条严格的定律。

那么，这是一种巧合吗，还是有更深刻的
原因？它意味着什么？这是又一个值得思考的问题。

人们研究发现，在牛顿力学中无法加以
说明，于是长时期里它就成为游离于物理学之外而不加重视的一个结论。

由此可见，原来牛顿力学中无法加说明的惯性质量与引力质量相等不再是游离于物理学之外
的一个普遍事实，而是成为意义得大的广义相对论的基石。

爱因斯坦找到了这块基石，并由
此发展了广义相对，这实在是爱因斯坦独具慧眼、超群绝伦的伟大贡献。

5 马赫原理的检验和评价
马赫的思想启发爱因斯坦，引导他改造牛顿力学，建立了广义相对论，马赫的功绩不可磨。

然而马赫认为物体的惯性来源于宇宙中其他物质作用的想法（马赫原理）还值得进一步研究。

根据马赫原理，物体的惯性不是物体自身的属性，而是宇宙中其他物质对物体作用的结果，
那么物体近旁如果有一个大质量物体，它就会对物体的惯性产生影响。

例如，处在银河系中
的一个物体的质量应来自两部分，一部分来自宇宙整体的影响，它是各向同性的；另一部分
来自银河系的影响，它应是各向异性的，物体朝着或离开银心加速时惯性质量会稍有不同。

是否存在这一各向异性的影响是物理学家关心的问题。

尽管马赫原理对爱因斯坦建立广义相对论起过积极的作用，但是马赫原理不是广义相对论的
一个前提，也不是它的一个推论。

究竟物体的惯性完全归因为外部的作用，还是归因于物体
的内部性质，还有待于未来的研究。