关于惯性的一些考虑

我对惯性的理解：传统上说的惯性是具有质量的物体的特性，表示物体的运动状态不可以突变，物体总具有保持上一时刻的运动状态的趋势或者说物体运动的表现总有阻碍引起物体运动状态的条件的趋势（比如物体很难改变运动状态说明它阻碍对它施加的外力）。

而一个具有质量的物体它的速度是不可以突变的，物体受了力之后总保持原来的运动状态（原来的速度），但是保持的能力（改变的难易）要由物体的质量来决定，就是说，受了力之后质量小的物体更容易改变速度。

这种保持原来状态的现象并不仅仅存在于质量为特征的物理事物上，电容上的电压不可突变；电感上电流是不可突变的；弹簧的长度是不可突变的；化学上有一个勒沙列特原理，具体内容记不太清楚了，在google上搜也没搜到，但是这个原理大意也是说一个化学反应，它的反应结果也是阻碍这个反应本身的，就像是负反馈；再者温度系统，一个物体的温度是不会突变的，而引起物体温度变化的原因正是温度差，这个量和不可突变量是同样的量纲，与上面那些不太一样；美国科幻大师阿西莫夫在他的科幻小说《基地》中描述了人类社会的思想也是具有惯性的，人类想法会由于人类数量很多而很难改变，当然改变是肯定会的，但是这个改变的速度是很缓慢的，如果一个小数量的人类圈子，则他们的思想改变是很容易的。

以上是我把我所发现的所有具有我认为的“惯性”的性质的系统列出来，它们具有很相似的性质，这里归结一下特征：

一个惯性的系统具有以下基本量：

           表征惯性的量M（这一说法欠科学，但是找不到更合适的说法，暂且这么说着）；---质量m，电容量C，电感量L，温度系统中物体的比热容

           不可突变的量V；---速度v，电容中电压u，电感中电流i，温度系统中温度

           改变原来状态的量F---外力F，电容中施加的电流I，电感两端施加的电压U，物体和改变物体温度的物体的温度差

如果说惯性是由宇宙中物质总量和物质的分布情况决定的一个性质,那么,是不是可以说电容和电感或者温度系统中的这些非突变是由宇宙中相应的量的总量和分布决定的?而阿西莫夫所说的人类思想的惯性是由宇宙中人类或者生物总量和生物分布决定的?

上面现象纯属无聊乱想，不过这个乱想想了好几年了，只是因为不是学的物理专业，认识水平一直在这个层次，而不能更深入的从理论上去解决这些东西。如果哪位猛男对这个感兴趣，而又有能力去解决它或者指教出这个想法的无聊和没意义，那真是太好了。

受力的物体内部到底发生了什么情况——解释惯性力学三定律[转自论文网]

提要
物体在受到外力（去掉外力性质的重力—引力及合外力不为零的情况下）的时候其内部到底发生了什么情况？这才是区别物体是否是广义惯性运动状态的根本标准。这涉及到牛顿力学物体概念内涵的改变。如果把熵状态（熵空间）作为力学思维的出发点，许多纠缠不清的问题都好解决。

前言
——把简单的事情搞复杂了，太累；把复杂的事情搞简单了，贡献。——摘自某电视广告词。

无论是维护还是反对广义相对论的人，其实都面对的是一团“乱麻”，说它对，也说不清对在哪，说它错，也说不清错在哪，那是因为没有一个“对的理论参考系”。我的惯性力学三定律，也许提供了此“参考系”。相对论的产生，就是把空间问题（也是场的问题）引进到物理学里来，无论如何，这是一个进步。但是，仅把“运动”当作出发点，来定义空间，总觉得有点犯了循环逻辑错误的嫌疑，因为运动（速度）本身就是由时间与空间（距离）来定义的。用时间与空间来定义时间与空间，就好象是自己拽自己的头发把自己拽起来一样，不解决问题。因为“运动”仅是物体对它物的位置关系，而位置关系仅是物体属性对外关系体现的一方面，不是全部。反过来，又仅以运动与空间角度来认识“属性”，就犯片面性的错误了。广义相对论还是正在“探索”过程中的不成熟的不能算作真正理论的理论。
我在我以前的文章里说过，物体的广义惯性的对它物关系的体现有两种，一个是力（作用关系），一个是运动（位置关系）。而许多人总是在运动（机械运动）上来思考什么惯性啊、引力啊、什么等效原理啊、什么参考系等等，这是片面的，是许多问题纠缠不清的根源之所在。又把“运动”关系当作出发点来思考，或仅以“运动”角度以为就可以解决什么属性问题，就是本末倒置了。通常说“标”与“本”的关系，在力学里，仅从“运动”角度来解决力学问题，就是“治标”，不是治本。广义相对论就是如此错误之大成者。永远要值得注意的是，关系是某物属性的体现，不是属性本身。抛开了某物及某物的属性，而要解决属性问题，是解决不了的。广义相对论就是抛开了物体这一最基本的前提，仅用什么度规什么坐标系（参考系）的变换来解决惯性及“引力”等问题，引得许多人到如今还在争论不休，就是此原因。我们还是回到“物体”本身上来，回到体现其属性的另一个关系——力作用关系上来。就容易解决许多纠缠不清的问题。在我这里，同样的物理常识，就有了不同的思维方式。我在此是在重新调整力学的思维方式。 

一、受力的物体内部到底发生了什么情况？
有人说受力（接触力，像磁性力另说，而外力性质的重力与虚构性质的惯性力是在此我要重新认识的“作用”。）物体发生了形变，但这是外在的问题，此外在的形变也有因为物体内部的情况的变化引起的因素。受合外力为零（接触力）的物体也形变。我们要看看在受到合外力为零与不为零情况下的物体的内部到底发生了什么情况。我现在举几个现象方面的例子：先用水性质的物体来说明一下。
1.有“重”的情况：
（1）在地面上的装满水的容器，当该容器在水平方向上，受外力的作用（也有加速度），此容器中的水里就压强梯度情况发生。 
（2）在离心机中的装满水的试管，在离心机转动的情况下，其水里也有压强梯度情况发生。
（3）静止在地面上的装满水的容器，在垂直发生方向上，其水里也有同样的压强梯度情况的发生。此容器的外力就是地面对其支撑的力。
2.“失重”的情况：
(1) 在地面上以静止或匀速直线运动的装满水的容器，水平方向上，水里没有压强梯度情况的发生。此情况没有外力作用之。
(2)处在自由落体运动状态下的装满水的容器，其水里没有压强梯度情况的发生。此情况没有外力作用之。
（3）在公转的太空实验室里装满水的容器，其水里没有压强梯度情况的发生。此情况没有外力作用之。 
(4)在车厢里的地板上，有此装满水的容器，假设此容器与其地板之间没有摩擦力，当此车厢突然在水平方向上加速时，在车厢里的人看来，此容器有加速运动（在地面上的人看来，此容器还是静止的），但其容器里的水在水平方向上没有压强梯度情况的发生。此容器没有外力作用之。
说明：
（1）在原来的力学里，有“重”的情况的（1）与（2）的压强梯度被解释为虚构的惯性力（也被称为没有来源的力）造成的。其（3）的压强梯度被解释为“引力”（也是虚构的力）造成的。在我这里，其压强梯度不被解释，是认识的出发点（公理化。如果除了虚构的惯性力与引力的原因的解释，而有其他的原因的解释，我的此出发点不成立。）。是表示其物体有外力作用之，也是表示对此外力有反作用力，其反作用力就是其物体的广义惯性力。反过来，其物体有外力作用之，必有物体内部的此“压强梯度”情况的发生。其外力或其广义惯性力与此“压强梯度”在量上有正比关系。“失重”的情况也“统一”理解为没有外力作用之。
（2）气体也有此“压强梯度”情况的发生；固体的此“压强”表现为“胁强”。
（3）离心机里的此“压强梯度”的二阶导不为零。
（4）把此“压强梯度”的“唯象”性，变为抽象的ρ梯度（就是我的惯性力学三定律里的P内），是新的物理量，物理单位名称为“坦”。
（5）于是，原来牛顿力学的“刚性”的与“没有内部结构”的物体概念就变为有不是“绝对刚性”与有“内部结构”内涵的物体概念。
（6）当一辆汽车突然撞在“刚性”障碍物上时，此汽车就撞坏了，是由于其负加速度突然非常变大，依我的广义惯性运动定律，其汽车的P内也突然变大，也就是其质量部分的胁强变化突然变大，就造成了车体的破坏。其前面（被撞的部位）之所以被破坏得厉害，是因为汽车不是绝对刚性的物体（有一定的弹性）。
（7）在实践上，人们在说战斗机里发生的“失重”与“超重”时，已经没有了所谓的“引力与惯性离心力”原因的区别，已经都统一为“重力”的说法了。所以，我的“理论”容易被一般人理解，不是“超玄”的。完全可以直接代换中学力学里的“牛顿相应的定律”。在中学力学教材里独立的“失重与超重”问题，就不必讲了，此内容已经包含在惯性力学三定律里了。
（8）在爱因斯坦的“等效原理”里说什么“在惯性系（所谓的自由空间等）里与在引力场里的局部惯性系（某加速值的）里的所有的物理规律是相同的或所有的实验结果是相同的等同类不同方式的说法，比形而上学还形而上学。实际上只有一个“现象”是相同的，就是此“压强梯度”现象。如此的比形而上学还形而上学的“等效原理”，带来的直接错误后果就是把“光束与升降机的运动速度合成思维实验”带到了“动力学”里，也随带着把狭义相对论的理论带到了“动力学”里，于是，就繁衍出了什么“一级近似、强引力场、光线引力弯曲、引力透镜、黑洞”等劳什子。而爱因斯坦实际上是用“广义惯性”（用度规）在重力场里的“广义惯性运动”（测地线） 
来定义引力场（弯曲时空），本来是“同一关系”，其定义结果——弯曲时空的前提（广义惯性）已经解释了“引力”，结果被人（爱因斯坦本人在此也糊涂）错误地理解为几何性质造成了引力的因果关系。如果还有人以为我的惯性力学三定律是什么广义相对论的什么级近似情况的定律，那实在是为广义相对论的继续存在找借口。不能为了“光”一定存在在力学里，把我们的认识搞混（昏或浑）了。我的惯性力学三定律是已经吸取了广义相对论的合理内核的结果。 
(9)参考系是“观察”及“失重与有重”是体验，但这都是感性表达，而理论必须是客观性与理性的表达，于是，用此“压强梯度”现象与“ρ梯度”来说明与表达，这就是客观性与理性。（牛顿第一定律的物体的状态也是表示物体的失重状态）

二、空间问题
1.物体的内部空间问题
物理意义的空间与物体的内部空间的涵义是什么？这是困扰爱因斯坦一生的问题，（见爱因斯坦晚年对他的早年著作《狭义与广义相对论浅说》第十五版的附录）当物体有体积的时候，就应该说有内部空间。但是，爱因斯坦就在此问题上拿不定主意。比如一只两头没有盖（有盖也可以）的大油桶，你说此大油桶占据了什么空间，是圆柱体积？我想通了，是油桶的质量部分占据的空间才是物理意义上的物体内部空间。 爱因斯坦的“物体具有空间的广延性”，应该就是此涵义。P内就是指此空间结构。
爱因斯坦之所以没有总结出此惯性力学三定律，其原因是把注意力用在了参考系的变换，而忽略了物体的内部空间性，而他到了晚年认识到“物体（不是物质）具有空间的广延性”时（见《狭义与广义相对论浅说》第十五版的附录说明），就已经说明了他开始注意到了物体的内部空间（物体质量部分所占据的空间）性问题，但他已经来不及总结出此惯性力学三定律了。 

2.物体的外部空间的问题
地球有重力场，地球也是物体，地球的内部空间也可以定义为物质质量部分占据的空间。地球的此空间，也有此质量部分的“压强梯度”现象（中聚度，如在地球的大气层与海洋中也有此压强梯度。），也可以说P内，但是，具有物理性质的重力场（空间）可以延伸至月球轨道之外，而与质量无关。为了解决此问题，只得承认有一个独特的有物理意义的空间——重力场。而此空间的物理量P外与P内的物理单位相同。P内与P外对距离的积分，还可以理解为有的书中所说的“内势与外势”问题。于是，就一定应该有具有重力场的物体与不具有重力场物体之分情况。只有此种区分，许多问题都顺理成章。进而，重力场必须是有范围的。否则，许多悖论都出现了，许多“应该”发生的“异常现象”没有发生就无法解释。比如：“九星连珠”现象的发生，按理（万有引力）应该有异常现象发生，结果，什么异常现象都没有发生。而按我的结论，就可以很好地说明为什么没有异常现象发生。所以，我说的“只有整体天体才具有重力场，而重力场是有范围的”，是合乎情理的。

3.引力场概念必须抛掉
只要承认在任何物体之间有所谓的引力，引力场概念就没有存在的意义。只要承认任何物体之间有引力作用，广义相对论也不成立，我的惯性力学三定律也不成立。有“引力”的作用，就没有“场”的“作用”（属性问题），这是不相容的。然而，奇怪的是，多年来学术界竟可以同时运用之。爱因斯坦把把统一场论问题留给了后人，而后人又把此问题转化为四种相互作用力的怎样统一的问题。而通常的解决此不相容的办法是假设什么微粒子的传递，复杂了，麻烦了。靠假设的“东西”（不是某客观东西的抽象）建立的理论，不是理论。 

4. 熵空间
有重力场的空间与无重力场的空间是我的理论的前提，是思维的出发点。但是，最好是用“负熵空间与熵空间”（不是狭义的熵）来理解此出发点。因为此空间具有物理意义。有了我的惯性力学三定律，有了熵空间与负熵空间，与其分别对应的原来的绝对空间、欧氏空间、平直时空与惯性系及原来的弯曲时空、非惯性系与引力场这些概念也就没有存在的必要了。
离心分离机之所以有"分?quot;效应，也说明其试管在旋转的情况下，试管内部空间是负熵空间。而放在地球重力场内的静止的"试管"中也有此"分离"效应。
重力场可类比静电场，但又不是静电场。但有人把重力场（引力场）当作“电磁场”来看待，又弄出个什么“引力波”来，是没有客观事实根据的。

5.有关的若干问题
（1）什么绝对运动、相对运动、加速系、绝对时间、相对时间、平直时空、弯曲时空等等，统统撵回到纯运动学那里去；坐标系是描述用的；参考系是操作性问题，不是力学思考的前提问题。把参考系与坐标系也“撵”回到纯运动学那里去。物理就是研究物质的道理，抽象的空间、时间与运动的“本身”没有物理。去掉物体的抽象运动，是形式的问题。不能说空间有物理的属性，弯曲时空有“引力属性”是错误的。弯曲时空是不能证明存在与否的，因为是形式，是抽象的。物质的物理与其形式（空间时间与运动）是同一性关系（内容与形式的关系），不是因果关系。 
在操作上，有重力场的空间有确定的参照物，而没有重力场的空间就是熵空间。通过我的广义惯性运动定律的加速度a可以转换出其他的运动形式，如a="v2"/r等，然后再运用什么坐标系与参考系来描述。绝对参考系问题是具体问题具体分析的问题。如有绝对方向参考系，飞机上的“陀螺仪”就是例子。
（2）牛顿的惯性定律实际上包含两个涵义：物体在惯性运动状态时有“被动性”（无外力情况下），而在非惯性运动状态时（有外力的情况下）又有了要改变非惯性运动状态的主动性（能动性）。这才叫对立统一。然而人们只注意了“被动性”方面。
（3）自由落体运动（包括抛体运动），都是广义惯性运动。
（4）把物体的惯性问题与坐标系什么参考系结合起来，叫什么惯性系，这是把“关系”直接赋予了属性的逻辑错误。要把运动状态本身与为了描述运动状态的参考系问题分离开来。
（5）静止在空间中的卫星才可以用“引力定律”计算其“力”，但此力不是“引力”，是其卫星的广义惯性力，此广义惯性力的反作用力的外力应该是某一个阻止卫星下落的另一个实在“力”。宇宙中的天体运动都是广义惯性运动。而与其广义惯性力抗衡的外力，除了碰撞和爆炸等外力外，几乎没有恒定的其它外力与之进行“强”相互作用。所以，计算正在公转运动的行星“引力”是错误的。
（6）当我说“战斗机飞行员已经体验了等效原理的所有内涵”时，有人也许会问：战斗机是在地球的重力场内飞行的，重力场是大范围的ρ非均匀空间，而大范围的ρ均匀空间的等效原理的情况没有算在内，怎么能说战斗机飞行员已经体验了等效原理的所有内涵？回答是：因为地面的水平方向的空间也是ρ均匀空间，重力等势面是二维ρ均匀空间。
（7）像这样的提法：“一个观察者，当他的加速度计读数为零时，他不能辨别他是否在外层空间相对于恒星匀速运动，还是在地球重力场中自由降落因而相对于恒星作加速运动。”这是马赫哲学的提法。把恒星当作了“绝对参考系”。这是抽象的理论与具体问题分不开的错误，容易造成思维的混乱。
（8）之所以我说可能仅在恒星、大行星及部分的整体性的卫星周围存在重力场。也是考虑了重力场内的天体的广义惯性运动一般都是圆锥曲线运动，而拿不准星团、星系内的天体的运动是否是属于这样的运动，从而也拿不准其是否也具有重力场。但从星系内的星体的运动速度角度来看，不符合“引力”定律。因此，我倾向于星团和星系空间不是“重力场空间”的认识。它们仅是类似“流体力学旋涡效应”。接着，就不得不说星系内的真空空间不是“真空”。无论怎样的“真空”，在星系这样大空间范围内，仍然有“流体效应”。 
所以，以“引力”为原因来描述天体起源过程，真是牵强附会的提法，而原始星云各粒子"小质量"之间不会达到足以吸引其它粒子的“能力”。在此方面问题上，笛卡儿的“旋涡理论”也许还有它的存在价值。
（9）当我们说产生重力场是整体天体的功能时，可用导电（直流电）螺线管产生磁场的类比来理解其不依赖中心“质量”的机制。而仅对于重力场本身，我们只要能够测量与描述它就够了。目前热核聚变控制问题是靠外因的控制方式，从整体科学的角度，最好是用系统自我控制方式才能解决。太阳就是自我控制方式的热核聚变，重力场的产生机制问题的解决，就与此相关。
（10）天狼星的视曲线的运动被解释为有密度非常大的伴星（白矮星）存在。掉过来的看法，则是其伴星也许仅是一般类似地球密度的行星，因其公转运动与天狼星无“力”的关系，其视曲线运动需另外解释。
（11）没有发现距离很近，且体积与质量都相等的两个星体互相公转的现象存在。天文观测发现某恒星亮度周期变化，说明有不发光的星体公转，可以类似日食现象。但不能说明是同样的星体。在宇宙中发现的两棵很近的恒星，实际距离很大，并不互为公转。所以，只有一种质量很大的中心星体，而绕其公转的星体体积相对来说又很小的现象存在。这说明如果水星体积与太阳体积同样大，那么会造成内部压强梯度不均匀分布的情况出现，于是，不是被这压强不均匀性所撕裂，也会落到太阳上去。客观上，天体在起源与演化过程中，自然就避免了这种情况的发生。如果水星的体积与太阳体积一样大，则会碎裂，因为会造成其内部的ρ梯度值方向的不平行情况。所以,要保证在重力场内的天体公转的广义惯性运动状态，还有其自身线度及与中心整体天体距离的限制（因为重力场的ρ梯度分布是不均匀的）。星体产生重力场也有尺度的限制，超过了，就爆炸。小了，就不能形成。行星是重力场产生后，有火山不断爆发的阶段及吸收大量星体撞击阶段。
（12）当有人说“苹果自由下落运动是惯性运动”时，有人就反驳道：“重力是万有引力，惯性是运动状态。”这是目前普遍典型的错误认识。“重力是万有引力”的错误自不必说。而“惯性是运动状态”错误认识的实质是把“关系当作了属性”，同时，又是抛开了惯性的另一个在“关系”方面的体现——“力”。 
（13）在我的理论里，只有“卡文迪斯实验”与之不相容（实际上与广义相对论也不相容），除了此实验，一切都顺理成章。在此，我完全有理由声明：“卡文迪斯实验”是个伪事实。是一个人云亦云，以讹传讹的伪事实。也许是卡文迪斯本人的测量误差造成的，也可能是卡文迪斯有意的在欺骗公众。这也许是科学历史上最大的“欺骗事件”。如果此实验出现在牛顿发现“万有引力”之前，还有余地承认它。可是，此实验是发生在万有引力被发现之后，是“马后炮”，是“事后诸葛亮”，就有理由否定它了。 
（14）有人说：1.新理论必须比现有的理论能解释更多的观察事实；2.新理论必须能够推出现有理论全部成功的结论；3.新理论建立的基础必须比现有的理论的基础更深刻、更基本。又有人说，一个好的理论，至少满足三个条件：1.与实验事实符合；2.能解释现有现象；3.能预测新的现象。
我的惯性力学三定律满足了“新理论必须能够推出现有理论全部成功的结论”条件，因为，该三个定律能推导出牛顿第二三定律、自由落体定律、牛顿引力定律、浮力定律与包含了爱因斯坦的“等效原理”。我的惯性力学三定律本身就满足了“新理论建立的基础必须比现有的理论的基础更深刻、更基本”的条件。我的此三定律与重力场仅产生于整体天体的结论，已经解释了大量的现有现象（也算被我的理论排除的原来理论解释的现象）。我的新理论仅与“卡文迪斯实验”不符合（是伪事实），其它都符合。实际上，“能够预测新的现象”条件是非常重要的条件，也就是说有指导“实践”的意义。我的理论能预测人类能够制造“重力场”，接着，就能够解决“热核控制”等实际问题。
广义相对论似乎也满足该条件，但是，其一，把牛顿力学借口为“近似”，就原封不动地退回到中学教科书中去，没有满足“新理论建立的基础必须比现有的理论的基础更深刻、更基本”的条件；其二，没有“比现有的理论能解释更多的观察事实”；其三，仅预测了太阳的星光偏转现象，而此现象可有另外的解释。其它的预测，如引力波、黑洞等，到目前还没有证实；其四，到目前还没有表现出具有指导实践意义的事例。可以说，广义相对论仅有一句话有意义，就是“物体的同一性质按照不同的处境或表现为‘惯性’，或表现为‘重性’”这句话。也就是这一句话，才有“一字千金”的份量，在科学的历史上有“永垂不朽”的价值，从而，把人类对大自然的认识向前推进了一大步。
广义相对论也许还有一个价值，让许许多多的物理人跟着学了一遍连“数学系”都当作“选修科目”的黎曼几何，不白学，也许还有“书到用时方狠少”的意义。如果黎曼在天有灵，应该对爱因斯坦感激涕零。

2001年8月9日完稿
参考文献
[1]马英卓：引力是产生出来的，〈科学〉（科学美国人中文版）杂志，1998年第五期。
[2]马英卓：引力与广义力学、整体天体，〈科学〉（科学美国人中文版）杂志，1999年第三期。
[3]马英卓：惯性力学与整体科学体系，《科学》（科学美国人中文版）杂志，2000年第七期。
［４］马英卓：等效原理的对与错，《当代物理世界—物理论文集》网站。 
［５］马英卓：万有引力真的失灵了吗？《当代物理世界—物理论文集》网站。
[6]马英卓：用惯性力学三定律解力学习题。《当代物理世界—物理论文集》网站。
[7]马英卓：潮汐成因另探。《当代物理世界—物理论文集》网站。
[8]马英卓：研究物理的终极目的是属性。《当代物理世界—物理论文集》网站。

论惯性[转自物理教育网]

论 惯 性  [转自物理教育网]

摘要:  对经典力学范围内现行的惯性观提出了不同的看法，认为对于惯性要区分：个别研究对象的性质与存在的性质；保持某种状态的性质与改变某种状态的性质；物理学规律的动力学特性与审美性。 

关键词:  惯性；存在；时间；空间 

   惯性是经典力学中的一个基本概念，同时它又是人们日常生活中的一个基础性观念，并且惯性问题也是经常被物理学界讨论的一个话题（1）。可是，尽管经典力学经过了漫长的发展时期，大部分的物理教师在此问题上还存在着很多的混乱性（2），本文试从几个方面对惯性进行了讨论，望引起大家的共识。 

一、惯性的意义 

   大家知道，惯性是物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质（3）。一个物体，只要不受外力作用，原来静止的就会一直静止下去，而原来运动的则会一直作匀速直线运动。这里的问题在于：惯性是否是物体的性质？依据牛顿第一运动定律，任何物体均具有惯性。因而，看来惯性不是被研究物体的性质，因为这一性质是一切物体所具有的，也就是说它与物体的个别特征无关。因而，惯性只能是存在的一个特征，是被研究对象周围的环境在此对象上的表现。换一句话说，它是存在于物体周围的一种条件，一种约束。 

    二十世纪初，德国数学家诺特尔（4）证明了：空间平移对称性导致动量守恒、空间转动对称性导致角动量守恒、而时间均匀性导致能量守恒。事实上，物体的惯性是时间均匀性与空间对称性的必然结果。因而它与个别的特殊研究对象无关。惯性不是个别存在物的性质，个别存在物只是惯性的显现者，惯性的本质与个别存在物的特性无关。从而我们就不能用反映个别存在物性质的量（例如质量）来测度惯性。因为惯性作为存在的一种显现，并无大小可言，它只是存在之状态的表达。 

二、惯性与物体运动状态变化的难易程度无关 

    通常认为质量是物体惯性大小的量度是据于这样的理由：质量大的物体在相同的力作用下其运动状态不容易改变。这是由牛顿第二定律所得到的基本结论。而事实上物体运动状态是否变化，物体运动状态的变化是难还是容易是与惯性无关的。惯性所揭示出的物体之性质不在于其使（或抗拒）物体运动状态的改变或代表改变的难易程度的能力，而在于它的保持某种特定状态（静止或匀速直线运动）的本领：在最相似的物之间，错觉说着最巧妙的谎；最小的罅隙是最难度（5）。因而惯性与物体的质量无关。倘若惯性与物体的质量有关的话，则我们也可以说力与惯性也有关系。因为对于相同质量的物体而言，力越小其运动状态就越难改变。因而，也即力越小物体的惯性越大。事实上，在惯性概念发展的最初时期，牛顿就将惯性与力进行等价的思考，当然现在大家知道牛顿的把惯性等同于力的思想是错的了。如果要说质量与惯性确有联系的话，作者以为也只能从这样的一个视角来看：惯性是由其表现物体周围存在着的与时空有关的天体质量分布情况决定着的性质。这是因为，根据广义相对论，空间的性质是由天体质量的分布所决定的。至于时间，自从奥古斯丁（6）提出“什么是时间？”以来，人们还没有认清它的真面目，也因而从更深的层次上而言，人们只认识到什么是惯性而还没有搞清惯性是什么。 

    惯性不是一种由个别物体自身所具备的原因（诚然，所有物体均会表现出惯性），它不是我们的一种吃力的、需要支撑的、痛苦感的反映，事实上，它是存在之美感的绽开。因而“惯性是物体对任何改变其运动状态的外来作用的阻抗的性质”（7）这样一种说法就是不当的。因为这一注释还是从对牛顿第二定律的基本分析而来的，在这一注释中已经隐藏了牛顿第二定律及对惯性与物体质量等价的认同感。其实，惯性是一种令人十分安全的、舒适的、和谐的存在之性质，它使物体的存在行为非常简单，而人们也往往由于常见到这种存在的简单性而忽视了它的深层含义。静止的永远静止，运动的永远作匀速直线运动，惯性就是将存在如此单调而重复地显现在人们眼前。凡是背离了这两种物体的存在情况而用惯性去解释其存在原因的，作者以为均属一种不当的诡辩行为。可是这种诡辩行为不仅麻木了人的脑神经而且充斥着各种各样的教科书（8），我们来看一些下面的例子。 

    例1．惯性也有不利的一面，高速行驶的车辆因惯性而不能及时制动常造成交通事故。所以，在城市的市区，对机动车的车速都有一定的限制，以利于行车安全。（9） 

在这里，不能及时制动是由于惯性还是由于制动力不够大？略作思考，读者就可判断出是由于后者。将惯性看成一种破坏力是十分荒唐的。而发生交通事故的真正原因是，由于车辆质量较大，而相应的制动力在如此质量的物体上所产生的加速度很小，不能使车辆很快地减速，从而在短时间内停下来。倘若对于质量较大的车辆来说制动力也允许更大，那么作者认为还是可以在一定的时间内制动车辆的。 

并且，这个例子中的“高速行驶的车辆”及“对机动车的车速都有一定的限制”的字句很容易使学生认为惯性和物体的运动速度有关。这对于初学者来说是一个很大的误导。 

例2．把斧柄的一端在水泥地面上撞击几下，斧头就牢牢地套在斧柄上了，这是什么缘故呢？（10） 

通常标准答案是这样的：开始斧头和斧柄同时向下运动，当斧柄遇到障碍物时突然停止，而斧头由于惯性保持原来的运动状态，这样斧头就牢牢地套在斧柄上了。 

事实上，斧头在斧柄上套牢是由于斧头克服了阻力相对于斧柄运动了一段位移，而惯性不是克服某种阻力使斧头运动的原因。在此问题中的一个效果是斧头相对于斧柄产生了某种（克服一定力的）运动，因而我们必须以斧柄为参照系来考察此种运动的实质。当以斧柄为参照时，实际上斧柄在撞击的过程中是一个非惯性系，它相对于惯性系有一个向上的加速度。因而斧头在此参照系中必受到一个向下的“惯性力”，正是此力与斧头的重力克服了斧头与斧柄之间的弹力与摩擦阻力使斧头相对于斧柄前进了一段位移，从而使斧头在斧柄上套牢。如果一定要以地面为参照系来看斧头在斧柄上套牢的问题，那么可以这样认为：虽然斧头在斧柄上向下套牢的过程中没有受到除重力以外的向下的另外力，但相对于地面而言斧头具有一定的动能和重力势能，正是这个能量克服了阻力作功从而转化为内能。所以从效果上看，一是斧头相对于斧柄向下移动了一段位移，二是斧头与斧柄的接触面上在发热。 

如果仅从动力学的角度来看，斧头在斧柄上套得牢不牢是由其受到的作用力大小与作用时间（或所通过的位移）所共同决定的，也就是说它和斧头相对于斧柄的动能或动量变化有关。斧柄在“水泥地面”上“撞击”这两个条件只是使斧柄产生了相对于水泥地面的较大的动量变化率，从而也使斧头具有了相对于斧柄的惯性力。但是，虽然这个惯性力构成了斧头套牢在斧柄上的直接原因，可严格地说，斧头在斧柄上套得牢不牢的原因还和斧头的重力及斧柄的弹性和斧头与斧柄的摩擦力大小均有关系。并且斧头在斧柄上套得牢不牢和作用时间也大有关系，因而，撞击“几下”也是一个非常重要的条件。 

例3．小车上竖直放置一个木块，让木块随小车沿着桌面向右运动，当小车被档板制动时，车上的木块向右倾倒。这是怎么回事呢？（11） 

教科书上的答案是这样的：小车突然停止的时候，由于木块和小车之间的摩擦，木块的底部也随着停止，可是木块的上部由于惯性要保持原来的运动状态，所以木块向右倾倒。

事实上，本例中小车上木块的倾倒是由于力矩作用的缘故。若以地面为参照物，小车对木块的摩擦力对木块的重心而言有一个顺时针旋转的力矩，从而木块向右倾倒。若以小车为参照物，小车被档板制动时已是一个非惯性系，作用在木块（重心）上的“惯性力”对木块的底端也产生一个使木块作顺时针旋转的力矩。 

需要指出的是，在上述例2和例3中，斧头在斧柄上套牢和木块在小车上倾倒已是一个涉及物体在非惯性系中的动力学的问题。其中例2是非惯性系中的质点动力学问题，而例3则是非惯性系中的刚体动力学问题。可是，在非惯性系中，我们通常意义上所论述的牛顿第一定律已不成立，从而也失去了此两例的代表意义。也就是说，这两个例子不仅是不准确的解释而且是不适当的例子。在涉及惯性的问题上我们必须分别那些是属于惯性现象，而那些则不属于惯性现象——即为动力学现象。牛顿的例子，毫无疑问是正确的（12），但我们许多的物理学工作者却将惯性对事物的解释范围作了相当随意而并不恰当的扩展或扭曲。其实在讲述惯性时，用不着举更新鲜的特别例子，倒是需指出惯性使我们对事物常态的存在方式太熟视无睹了。这里问题的关键在于，惯性不是使物体改变运动状态（使火车制动、使斧头套牢在斧柄上、使小木块倾倒）的原因。严格地说，这些原因和物体的惯性无关，只和力有关，而至于火车制动得及时不及时，斧头套在斧柄上牢不牢，小木块倾倒得快不快，则不仅与力有关，还和物体的质量、形体、初速度有关。但即使如此地与质量和初速有关却也与惯性无关。 

惯性，这个我们通常认为是由物体内在因素决定的性质，其实是物体存在方式的一种条件性：“试取汽车为参考系统来研究‘当汽车急剧刹车的时候，车中乘客有向前倾倒的倾向’这个问题，在汽车急剧刹车前，相对于汽车而言，乘客是静止的，在汽车急剧刹车时，乘客突然向前倾，这就是说，以汽车为参考系统，乘客由静止而突然向前倾，并不保持其静止状态，并不表现出惯性”（13）。这个条件就是：物体要表现出惯性，它必须处于惯性参考系中。而“事物的存在顽强地延续维持不变,无论运动是快是慢抑或停止。”（14）也只在惯性系中才成立。在研究物体的运动学与动力学问题时，惯性系总有着特殊的地位。可是，这个特殊地位的存在并不单单是人类抽象理性的功劳,并不是人类贪懒和间集化的一个报应，惯性系的存在有其形而上的基础：自然之美的呈现及人对自然之美呈现体认的同一性。如果没有了存在的时间均匀性与空间对称性，我们选取的相对于地面作匀速直线运动的参考系对研究动力学问题而言也就将成为一个畸形的怪胎。惯性系不仅在计算上向人类提供了联系物体的相互作用与相对运动的便利方式，其更根本的是它使人与存在的关系成为审美性的。惯性定律给我们的启示是：存在是美的。而惯性系则是自然对人的一个馈赠。也因而，我们应当从审美的视角来看待惯性，而不应当将它看成一个恶魔或一件便宜货。 

所有的老师都要求学生不要把惯性与惯性定律混为一谈，可是当我们的老师用动力学的观点来看待惯性——也就是说，把惯性与牛顿第二定律混为一谈的时候，对学生的这一期望是合适的吗？其实这是一个误区：当教完一些物理学的基本概念与规律以后，就要求学生用它们解释自然现象。事实上，物理学中有些基本概念与规律不是要求我们去解释自然现象，它没有这个功能，它只是告诉我们要去感受些什么，它提供给我们的不是一种推理的方式，而是一个判断的原则 ：它促成我们的判断更接近于自然之美的呈现。 

三、惯性定律与牛顿第二定律的关系 

当物体所受的合外力为零时，从牛顿第二定律可知物体处于静止状态或作匀速直线运动。可是，仅依据这一点却不能认为牛顿第一定律是牛顿第二定律的一个特例。因为这两个定律的论述对象其实是不一样的。牛顿第二定律的研究对象是一个物体，而牛顿第一定律论述的是整个存在的性质。惯性——这个任何物体均具有的性质其实不是我们的个别研究对象所具有的性质，因为这个“任何物体”，包括了天地间的万物，而万物的总称（15）即是宇宙：“四方上下曰宇，古往今来曰宙”.也即任何个别的物体都不可能无条件地具有惯性：惯性是存在的特性，是存在着的时空的特性，是宇宙的特性。 

  其次，牛顿第二定律是关于个别物体因果性的规律，而牛顿第一定律却与个别物体的因果性无关，它是存在之状态的表述，它的表述是与具体的特定的时间无关的、瞬时性的。正是这种非时间性（16）构成了牛顿力学的本质特征。也正是牛顿第一定律所成立的时间均匀性与空间对称性构成了惯性系的特殊地位，从而使我们可以在牛顿第二定律的意义上来研究物体的动力学关系。因为毫无疑问，物体的运动性质和规律与采用怎样的空间和时间来度量有着密切的关系（17）。由此可见，不仅牛顿第一定律不是牛顿第二定律和特例，恰恰相反，现行的动力学规律正是牛顿第一定律所揭示的存在之性在具体的个体事物上的展现。惯性定律比牛顿第二定律具有更强的基础性。也就是说，正是惯性现象，构成了牛顿动力学所以成立的操作平台。由于物体在不受外力作用下保持其速度不变，因而物体运动速度的变化才跟物体的受力相关。 

最后，牛顿把惯性定律放在三个运动定律的首位也是与其对自然的信仰因素有关的。因为在文艺复兴之前的绝大部分思想家继承了亚里士多德关于物体运动内在决定论的观点。但在牛顿看来，基本的物质粒子完全是惰性的，没有任何自发的运动，而电、磁、光这些‘非物质’的力量则成为神在自然中的行动的载体（18）。也就是说，惯性定律内隐含着牛顿否定亚里士多德运动观的内在目的论从而建立新力学的形而上基础。 

四、惯性与具体物体的质量无关 

从上面的讨论可以看出：“质量是物体惯性大小的量度”这个论题，在几个角度去看都是错误的。第一，质量不是物体惯性大小的量度。个别研究对象的质量与其所揭示的惯性毫无关联。因为这两者从数量上来看是一对无穷大的关系，从内容上来看是个体与存在的关系，在它们之间，人类的理性不可能找到逻辑上的因果链。第二，“物体（的）惯性”这样的说法缺乏依据，因为惯性不是物体的性质。物体只是作为惯性的表现者而存在的。第三，“惯性（的）大小”这样的说法也缺乏依据，因为惯性没有大小，惯性只是存在的一种表达方式，一种特定状态的显现。第四，既然惯性并无大小，我们也不可去进行量度，事实上，任何一本教科书上也没有指出惯性与质量的函数关系，因为这一函数关系并不存在，它只是人们的一个虚假的逻辑推测，谁也不能证明质量与惯性成正比或不成正比 ，更不能得出它们之间的比例系数，因为这些关系均是虚假的。因而，物理学界流传的物体的惯性等于它的质量（19）只是人们一个随心所欲的错误言说。 

由于物体质量与惯性无关，所以，将牛顿第二定律中的质量称为惯性质量就是不当的，质量的确对物体运动状态的改变有一种象力一样的阻抗作用，质量在改变物体运动的状态上而言似乎有一种“消解”、“抗拒”力的性质。因而作者认为可将现行的“惯性质量”改称为物体的“抗性质量”。正如牛顿所说：“物体只有当有其他力作用于它，或者要改变它的状态时，才会产生这种力。这种力的作用既可以看做是抵抗力，也可以看做是推斥力。（20）”因为质量与物体运动状态的变化快慢有关，它事实上具有动力学特征，当一个物体的质量大时，它对运动状态改变的阻抗能力就越大。 

从逻辑上而言，我们只有将惯性从物质的内在因素中解除出来，才能完全地克服牛顿时代的机械论自然观与牛顿第一运动定律之间存在着的深刻矛盾。也就是说，这样才能使牛顿第一定律恰如其分地建立在由文艺复兴所形成的机械论而不是亚里士多德的目的论的形而上学基础之上。 

五、惯性定律的表述方式 

    牛顿第一定律是动力学定律的基础，但它本身并不表征物体的某种动力学性质，它是关于人类体认自然之美、自然之和谐的陈述。据于上面的论述，对牛顿第一定律的陈述方式作以下的要求是并不过分的：反映时间的均匀性，空间的对称性，及自然之美对人的呈现。可是，现行的许多教科书中对牛顿第一定律的陈述是很不一致的。当然，这种不一致性用老眼光来看是无伤大雅的，但以今天的眼光来看，这种差异性就成为值得商讨的了。 

例如：一个物体，如果没有受到其他物体的作用，它就保持自己的静止状态或匀速直线运动状态（21）。这样的陈述可能离惯性定律的本义较远，因为这一陈述的方式是在动力学的维度上来进行的，陈述的对象是“一个物体”。这和牛顿第二定律的研究对象是一致的，这样方式的陈述毫无疑问地可以把惯性定律认为是牛顿第二定律的一个特例，因为“如果没有”这几个字就表达了陈述事件的某种特殊性。 

另外一种常见的陈述方式是：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。（22）这样一种表述比前一种完整多了，它几乎就是牛顿的原义，但这里的“一切物体”应当换成“任何物体”（23）。因为在此论述中的“任何物体”实际上是对一切物体的否定，而“有外力”应当换成“其它物体的作用”，因为惯性定律是不涉及力的，操作意义上的力这个动力学的基本概念与惯性无关。 

    作者试着这样来陈述惯性定律：存在着的宇宙有这样一种性质，它使任何物体在没有受到其它物体作用的时候总保持静止状态或匀速直线运动状态。或许，这样的一种陈述方式是较明晰的陈述方式，它强调了惯性与惯性的表现者（个别研究对象）的严格区分，这个陈述的主语是性质，这样的陈述才可称为关于“惯性”的定律。而我们也应当将惯性定义为：使物体保持静止或匀速直线运动状态的性质。 

六、人们误解惯性的来源 

人们在惯性问题上所犯的错误认识，既来源于历史上人们对于和惯性概念相联结的力与物体运动关系的一贯表达方式，又来源于牛顿的表述与对于牛顿力学理解上的偏差。“事实上，牛顿似乎注定要被人误解”。（24） 

在牛顿所陈述的第一定律中：（25）“每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态，除非有外力作用于它迫使它改变那个状态（Every body persists it's state of rest or of uniform motion in a straight line until it is compelled by some force to change that state.）”。牛顿对“除非有外力作用于它迫使它”作出了对应的理解，即认为保持其静止或匀速直线运动状态的物体是由内部原因的，这个内部原因即称为惯性：“vis insita,或物质固有的力，是一种起抵抗作用的力，它存在于每一个物体当中，大小与该物体相当，并使之保持其现有的状态，或是静止，或是匀速直线运动”。（26）在牛顿时代，作出这样的判断是无可厚非的：“一个物体，由于其物质的惰性（现称惯性——译者注），要改变它的静止或运动状态就极其不易。因此这种固有的力可以用一个最确切的名称‘惯性’或‘惰性力’来称它。”（27）因为在牛顿时代是无法判定惯性的本质的。从牛顿的这一段话我们大致可以判断出，他几乎是在第二定律的意义上来领会惯性的，因而他才认为（惯性）大小与该? 锾逑嗟薄Ｕ饣蛐砭褪橇鞔两竦墓咝缘拇笮〉扔谖锾逯柿康脑濉？墒牵６俚恼庖欢卧桃夥岣坏乃枷肴词抢丛从谖鞣焦糯苎餍械墓赜谑挛锉旧淼膬仍诰龆ㄐ缘墓鄣悖骸罢鑫锾宓墓阊有浴⒓嵊残浴⒉豢扇胄浴⒛芏院凸咝裕丛从谄涓鞲霾糠值墓阊有浴⒓嵊残浴⒉豢扇胄浴⒛芏院凸咝裕灰虼耍颐强梢韵陆崧鬯担磺形锾宓淖钚∥⒘Ｒ簿哂泄阊有浴⒓嵊残浴⒉豢扇胄浴⒛芏裕⑶腋秤衅涔逃械墓咝裕馐钦稣苎У幕。?8）”。 

    这一观点可以追踪到亚里士多德，它影响了包括牛顿在内的一大批科学家的思维方式。在牛顿之前的开普勒也就惯性说过（29）：“如果天体不赋有类似于重量的惯性，要使它运动就不需要力，最小的动力就足以使它有无限的速度，但由于天体公转需要用一定的时间，有的长些，有的短些，因此非常明显，物质必须具有能说明这些差别的惯性”；“惯性，或对运动的阻力是物质的一种特性，在给定的体积中，物质的量愈多，惯性愈强。”由此我们也可见，在开普勒那里已经有惯性等同于力与质量的观点了。 

从上面的论述可以看出，人们对于惯性的错误理解主要是由历史原因所造成的，这个原因主要在于：人们普遍地认为事物外在的状态是有其内在原因的。当人们在物体之外找不到令人信服的可感觉的原因的时候，就只能把它归因于物体的内部。牛顿将惯性归因于物体的内部，把惯性看成阻碍物体改变其静止或匀速直线运动状况的内力，他假设的惯性非常接近布里丹的冲力——即：惯性作为一个内力，在缺乏外部动力或阻力时，会引起无定限的直线运动（30），另一方面，牛顿的惯性观又来自于他对古希腊关于自然具有灵魂观念的继承，我们可以从他的著作中强烈地感到，他具有自然界的物体与人一样会在受到作用时产生反作用这样一种强烈的思想意向。显然，在现代人看来，自然界的物体是与人具有本质区别的。 

在牛顿以后，欧拉则将牛顿关于vis insita 的比较隐晦的注释作了同牛顿之前的有些科学家的直感一样的有一定危险性的表白：“惯性是物体保持静止或保持匀速直线运动的能力．．．．．惯性的大小与质量成正比例。”（31） 可是现在看来，这种危险性中是带有错误的。从那以后到现在，人们对于惯性的理解基本上是庸俗性质的。随着现代物理学的发展，特别是诺特尔之后，我们可以认识到使物体保持静止状态或匀速直线运动状态的原因并不在物体的内部、也跟力无关，而是由于物体所处的时间均匀性与空间对称性。也就是说，我们必须对牛顿意义上的惯性作出更开放性与发展性的理解，牛顿的vis insita（惯性是一个消极的本原，靠此本原物体维持它们的运动或静止，按照作用力的大小接受运动，按照受到阻力的大小抵制运动。（32））可以深入为两个层面的结论：在没有外力的作用下，一个物体，它能保持静止状态或匀速直线运动是由于惯性，即时间均匀性与空间对称性；在同样大小的力的作用下，一个物体它的运动状态较难改变是由于它的动力学特性——抗性，即它的质量较大。 

参考文献： 

(1) 邹荣. 质量是物体惯性大小的量度吗? 新世纪教育文集. 中国广播电视出版社，2000，11，1版，454. 

邓昭镜.邓玉兰. 质量是惯性的量度,还是物质之量的量度. 物理教师，2000，12，33.                    

(2) 徐祖年. 质量是惯性或引力的量度. 物理教师，2001，11，27. 

(3) 梁昆淼．力学，上册（修订版）．高等教学出版社，1978，12修订第２版，64. 

(4) 漆安慎 杜婵英. 力学,  高等教育出版社.  1997,7,1版,222. 

〔美〕阿 · 热．可怕的对称．湖南科学技术出版社，1992，2．1版，126. 

曾谨言. 量子力学 卷Ⅱ.科学出版社,  1993,9,1版,231. 

(5)  尼采文集．查拉斯图拉卷．青海人民出版社，1995，11，1版，163． 

(6)〔古罗马〕奥古斯丁.忏悔录.商务印书馆，1963，7,1版，242． 

(7) 中国大百科全书，物理学，Ⅱ.中国大百科全书出版社，1987，7，1版，1236． 

(8) 同(3),65． 

(9) 九年义务教育三年制初级中学试用课本,物理,第一册.上海科学技术出版社,1996,5,1版,109． 

(10) 同(9)． 

(11) 同(9),108． 

(!2)〔英〕伊萨克·牛顿. 自然哲学之数学原理.陕西人民出版社.2001,1,1版,18． 

(13) 同(8)． 

(14) 同(12)，12. 

(15) 辞海．缩印本．1989年版．上海辞书出版社．1123． 

(16) 吴国盛. 时间的观念. 中国社会科学出版社,1996,12,1版,171. 

(17) 同(7),702. 

(18) 徐向东  伯特《近代物理科学的形而上学基础》译序 

三个不解之物理问题

第一：惯性的到底是个什么东东？一切性质的惯性都可表现为非突变么？

第二：非接触性力（比如万有引力和电磁力）物理本质是什么？场的物理本质到底是什么？它们的本质是粒子碰撞么？

第三：运动电荷（比如电流）产生磁场，那么，两根完全相同的平行导线，通以相同电流，它们上面流动的电荷就是相对静止的，就相当于两个静止的导体，上面完全没有电流。那它们之间哪来的引力呢？或者两个在同一个轴上按相同速度旋转的充满电荷的圆盘，它们之间是相对静止的，它们之间会有引力么？