慣性概念的認(rèn)識及其影響慣性是物理學(xué)中最基本的概念之一，也是學(xué)習(xí)物理學(xué)最早遇到的概念之一。這一極為普通和平凡的概念曾經(jīng)引導(dǎo)許多物理學(xué)家深入思考和剖析，促進物理學(xué)重大進展，其中蘊涵著深刻的物理思想和豐富的物理學(xué)研究方法的教益，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)地思考問題的能力非常有效的素材。

一、慣性概念的肇始和牛頓的綜合

慣性一般是指物體不受外力作用時，保持其原有運動狀態(tài)的屬性。人們對于慣性這一認(rèn)識有賴于……

在人類思想史上，兩千多年前希臘的哲學(xué)家亞里士多德的學(xué)說無疑地起過廣泛的影響，然而他關(guān)于物理學(xué)的論述，許多都是錯誤的。他把物體的運動分為自然運動和強制運動。他認(rèn)為圓周是完善的幾何圖形，圓周運動對于所有星體都是天然的，因而是自然運動；另外，地球上的物體都具有其天然位置，重物趨于向下，輕物趨于向上，如果沒有其他物體阻礙，物體力圖回到天然位置的運動也是自然運動；其他所有形式的運動則都是強制運動。他還進而指出，關(guān)于物體的強制運動，只有在外力的不斷作用下才能發(fā)生；當(dāng)外力的作用停止時，運動也立即停止。從這里可以看出亞里士多德肯定了兩點：一，自然運動不涉及曳力的問題，只有強制運動才存在力的問題；二、力是物體強制運動的原因。從今天來看，這顯然是錯誤的，然而它束縛了人們近兩千年。

從這種把物體的運動歸結(jié)為外力作用的觀念，可以提取出靜止物體具有慣性的概念。開普勒在他1609年發(fā)表的著作《新天文學(xué)》和1619年發(fā)表的著作《宇宙諧和論》中寫道；“天體有留在天空中任何地方的性質(zhì)，除非它被拖曳著。”“如果天體不賦有類似于重量的慣性，要使它運動就不需要力，最小的動力就足以使它有無限的速度，但由于天體公轉(zhuǎn)需要用一定的時間，有的長些，有的短些，因此非常明顯，物質(zhì)必須具有能說明這些差別的慣性?！薄皯T性，或?qū)\動的阻力是物質(zhì)的一種特性，在給定的體積中，物質(zhì)的量愈多，慣性愈強?！边@大概是關(guān)于物體慣性的最早陳述?？梢钥闯鲩_普勒所說的慣性是指靜止物體的慣性，甚至他已經(jīng)認(rèn)識到物體的慣性與它的質(zhì)量有關(guān)，然而他顯然受到亞里士多德思想的束縛，不可能思考運動物體是否具有慣性的問題。

伽利略開創(chuàng)了實驗和理性思維相結(jié)合的近代物理研究方法，并用于研究物體的運動。他對于亞里士

多德關(guān)于物體運動的粗糙的日常觀察、抽象的猜測玄想和想當(dāng)然的思辨推理十分不滿，他通過科學(xué)實驗和科學(xué)推理得到許多正確的結(jié)果，總結(jié)在他的著作《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》（1632年）和《關(guān)于力學(xué)和運動兩門新科學(xué)的對話。（1638年）中，其中一個重要的結(jié)果如下。假設(shè)沿斜面AB落下的物體，以B點得到的速度沿另一斜面BC向上運動，則物體不受BC傾斜的影響仍將達到與A點相同的高度，只是需要的時間不同；當(dāng)?shù)诙€斜面變成既不上升，亦不下降的水平面時，物體將一直以已獲得的速度永遠向前運動。伽利略的思想無疑地比他的前輩前進了一大步，他認(rèn)識到不受其他物體的作用，物體可以永恒地運動，這已經(jīng)很接近慣性定律，但是伽利略還沒有擺脫亞里士多德的影響，他所說的水平面是和地球同心的球面，也就是說，那種不受其他物體作用的物體的永恒運動是圓周運動，因此我們還不能說伽略發(fā)現(xiàn)了慣性定律。

最早清楚表述慣性定律并把它作為原理加以確定的是笛卡兒。笛卡兒是唯理論哲學(xué)家，他試圖建立起整個宇宙在內(nèi)的各種自然現(xiàn)象都能從基本原理中推演出來的體系，慣性定律就是他的體系中的一條基本原理。他在他的《哲學(xué)原理》（1644年）一書中把這條基本原理表述為兩條定律：一、每一單獨的物質(zhì)微粒將繼續(xù)保持同一狀態(tài)，直到與其他微粒相碰被迫改變這一狀態(tài)為止；二、所有的運動，其本身都是沿直線的。然而笛卡兒沒有建立起他試圖建立的那種能演繹出各種自然現(xiàn)象的體系，其中許多是錯誤的，不過他的思想對牛頓的綜合產(chǎn)生了一定的影響。

牛頓1661年進入劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)亞里士多德的運動論，1664年他從事力學(xué)的研究，擺脫了亞里士多德的影響。他繼承了伽利略重視實驗和邏輯推理的研究方法，他也繼承了笛卡兒的研究成果。他深入地研究了碰撞問題、圓周運動以及行星運動等問題，澄清了動量概念和力的概念。1687年出版著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，以“定義”和“公理，即運動定律”為基礎(chǔ)建立起把天上的力學(xué)和地上的力學(xué)統(tǒng)一起來的力學(xué)體系。慣

性定律就是牛頓第一定律，表述為“所有物體始終保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)，除非由于作用于它的力迫使它改變這種狀態(tài)。”慣性定律真正成為力學(xué)理論的出發(fā)點。

根據(jù)慣性定律，物體具有保持原有運動狀態(tài)的屬性，這種屬性稱為慣性。不僅靜止的物體具有慣性，運動的物體也具有慣性；物體慣性的大小用其質(zhì)量大小來衡量。至此，人們對于物體慣性的認(rèn)識達到第一階段比較完善的程度。從此，人們對于運動中的種種慣性現(xiàn)象都能很好地理解；在實際中設(shè)計出種種利用慣性造福和防止慣性傷害的措施。

二、慣性與能量

對于慣性認(rèn)識的一個重要進展是慣性與能量的關(guān)系。

能量是物理學(xué)里普遍關(guān)注的問題。運動的物體有動能；相互作用的物體有勢能，如重力勢能、引力勢能、電勢能等等；其他還有熱能等等。在研究彈性變形體和流體的運動時，人們認(rèn)識到經(jīng)受應(yīng)力的物體的勢能分歸屬于物體的每一部分，而流體的輸運則伴隨有能量的傳送。麥克斯韋電磁場理論建立和被赫茲電磁波實驗證實之后，人們認(rèn)識到電磁作用是通過場實現(xiàn)的，電磁場的實在性在認(rèn)識上開始形成，場中不僅貯存有能量，能量的傳送也是通過場來傳輸?shù)模创嬖谀芰鳎耗芰髋c場的動量聯(lián)系在一起。人們研究電子的運動，運動電子周圍存在變化的電場，變化的電場又產(chǎn)生磁場，兩者的共存又導(dǎo)致存在能流和動量，它們同電子的速度平行。因此這一附加的動量意味著電子存在附加的慣性質(zhì)量。有一時期，甚至有人猜測可能電子的全部質(zhì)量來源于電磁場。這里第一次遇到電磁能量的慣性，提示了慣性與能量的聯(lián)系。

1905年愛因斯坦發(fā)表狹義相

對論，這是一個嶄新的物理理論，它統(tǒng)一了力學(xué)理論和電磁學(xué)理論，帶來了時空觀的根本變革。愛因斯坦隨后證明質(zhì)能關(guān)系，E=mc2，一定的質(zhì)量對應(yīng)于一定的能量，反之一定的能量對應(yīng)一定的質(zhì)量。在這里，能量包括了能量的各種形式，突破了上面把某一種形式的能量與慣性聯(lián)系起來的認(rèn)識。這樣，慣性是能量的屬性，能量具有慣性（質(zhì)量），任何慣性質(zhì)量都應(yīng)歸因于能量。作為物理學(xué)基本概念和物質(zhì)的量的質(zhì)量概念退居次要的地位，如今在近代物理中能量、動量等概念要比質(zhì)量、力等概念要重要得多。

能量具有慣性拓寬了對于慣性的認(rèn)識，也拓寬了對于能量的認(rèn)識。它帶來的重大實用價值就是核能的釋放。在裂變反應(yīng)中，裂變產(chǎn)物

的靜質(zhì)量小于裂變前物質(zhì)的靜質(zhì)量，質(zhì)量虧損釋放出大量裂變能；在聚變反應(yīng)中，聚變產(chǎn)物的靜質(zhì)量小于聚變前物質(zhì)的靜質(zhì)量，質(zhì)量虧損釋放出大量的聚變能。它也使得人們很好地認(rèn)識許多物理現(xiàn)象，包括涉及物質(zhì)的全部質(zhì)量與能量轉(zhuǎn)化的正反粒子對的產(chǎn)生和湮沒過程。

三、牛頓的絕對空間和馬赫原理

讓我們再回到慣性定律。慣性定律是近代力學(xué)的基礎(chǔ)。作為基礎(chǔ)性的定律是值得深思的。顯而易見，考查物體的運動離不開參考系。慣性定律并非在任意的參考系中都成立。慣性定律成立的參考系稱為慣性系，凡是相對于慣性系作勻速直線運動的參考系也都是慣性系，慣性定律在其中都成立；而相對于慣性系作變速運動的參考系，慣性定律都不成立，它們就稱為非慣性系。在非慣性系中考查物體運動，牛頓第二定律也不成立。為了在非慣性系中仍然保持牛頓第二定律的形式，除了物體之間實在的相互作用之外，還必須考慮一種與物體質(zhì)量有關(guān)且與非慣性系相對

于慣性系的加速度有關(guān)的力。這個力因為與物體的慣性有關(guān)，故稱為慣性力。通常認(rèn)為它不是物體之間實在的相互作用力，因而是“虛擬的”。

立刻產(chǎn)生一個問題，慣性系在哪里，或者什么樣的參考系是慣性系？深入地研究發(fā)現(xiàn)，這在理論上和實踐上都存在根本的困難。首先，要問什么是慣性系，回答是慣性系就是慣性定律成立的參考系，那就是說，在這個參考系中一個不受外力作用的物體總是處于靜止或勻速直線運動狀態(tài)。那么不受外力作用又是什么意思呢？這就是說，在慣性系中處于靜止或勻速直線運動狀態(tài)的物體是不受外力作用的。這樣就又回到什么是慣性