对惯性的认识

对惯性的认识

摘要：惯性是物理学中最基本的概念之一，物理学习中最早遇到的概念之一。这一极为普遍的概念曾经人们的思考和剖析，促进物理学的发展，其中包含着的深刻的物理思想和丰富的物理学研究方法的教益。

关键词：惯性力运动

一、惯性概念的肇启和牛顿综合

惯性是指物体在不受外力作用时保持匀速直线运动或精止状态的属性，对于这一点的认识，人类经历了漫长的岁月。惯性运用于生活、生产也经历了漫长的过程。惯性的概念，经历了几个科学家的发展。

在人类思想史上，两千年前的古希腊哲学家亚里士多德认为，物体分为自然运动和强制运动:他认为:一是自然运动不涉及拽力问题，只有强制运动才存在力的问题，二是力是物体运动的原因。从今天来看是不正确。它束缚了人类近两千多年。

开普勒在他1609年发表的著作《新天文学》和1619年发表的著作《宇宙谐和论》中写道；“天体有留在天空中任何地方的性质，除非它被拖曳着。”“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。”这大概是关于物体惯性的最早陈述。然而受到亚里士多德思想的束缚，不可能思考运动物体是否具有惯性的问题。

伽利略开创了实验和理性思维相结合的近代物理研究方法，并用于研究物体的运动。伽利略假设：沿斜面AB落下的物体，以B点得到的速度沿另一斜面BC 向上运动，则物体不受BC倾斜的影响仍将达到与A点相同的高度，只是需要的时间不同；当第二个斜面变成既不上升，亦不下降的水平面时，物体将一直以已获得的速度永远向前运动。伽利略的思想无疑地比他的前辈前进了一大步，他认

识到不受其他物体的作用，物体可以永恒地运动，这已经很接近惯性定律。但受亚里士多德的影响，还不能说伽略发现了惯性定律。最早清楚表述惯性定律并把它作为原理加以确定的是笛卡儿。他把这条基本原理表述为两条定律：一、每一单独的物质微粒将继续保持同一状态，直到与其他微粒相碰被迫改变这一状态为止；二、所有的运动，其本身都是沿直线的。笛卡儿的思想对牛顿的综合产生了一定的影响。

牛顿以“定义”和“公理，即运动定律”为基础建立起把天上的力学和地上的力学统一起来的力学体系。惯性定律就是牛顿第一定律，表述为“所有物体始终保持静止或匀速直线运动状态，除非由于作用于它的力迫使它改变这种状态。”惯性定律真正成为力学的出发点。

根据惯性定律物体惯性的大小用其质量大小来衡量。至此，人们对于物体惯性的认识达到第一阶段比较完善的程度。从此，人们对于运动中的种种惯性现象都能很好地理解；在实际中设计出种种利用惯性造福和防止惯性伤害的措施。二、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。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。

后来，爱因斯坦证明质能关系，E=mc2，一定的质量对应于一定的能量，反之一定的能量对应一定的质量。这样，惯性是能量的属性，能量具有惯性（质

量），任何惯性质量都应归因于能量。作为物理学基本概念和物质的量的质量概念退居次要的地位，如今在近代物理中能量、动量等概念要比质量、力等概念要重要得多。

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。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。

三、惯性质量和引力质量

惯性质量是物体惯性的量度，反映物体对加速度的阻抗，而引力质量是物体引力属性的量度，反映物体产生和承受引力的能力。它们显然是物质的两种完全不同的属性，描述物质两种不同性质的量是否严格相等是一个严格的定律。人们发现，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。

直到1922年以后，爱因斯坦利用降机的理想实验，表明物体在非惯性系中的运动等效于引力场作用下的运动，或者说非惯性生活费与引力场等效，爱因斯坦把它称为“等效原理。”根据等效原理，引力场可以用非惯性来消除，例如在引力场中自由降落的参考系中就消除了引力，在这个自由落体系中，惯性定律很好地成立，一个不受外力作用的物体将保持其原有运动状态，这一参考系实在是很好的惯性系，其中物理具有狭义相对论的形式。另外，非惯性系与引力场等效，非惯性系与惯性系就没有原则性的区别，它们都可以同样好地用来描述物体的运动，没有哪一个比另一个更优越。由此爱因斯坦把狭义相对性原理推广为一切参考系都是等价的，没有哪一个比另一个更优越，爱因斯坦把它称为广义相对性原理。广义相对论清楚地回答了不存在特别优越的惯性系，所有的参考系对于描述物体的运动都是等价的，而引力问题通过广义的时空坐标变换纳入相对论理论

中。然而，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。

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。

四、惯性与生活

惯性在生活中处处可见。在交通上惯性使交通事故发生；为此，减少惯性是必要的，粗糙的路面，轮胎可以减少惯性，减少交通事故的发生。利用惯性发明了电动机，进而发明了风扇，将惯性造福人类。利用惯性人们也使子弹，炮弹等的发射成为了可能，为打击恶势力提供了强有力的武器。

可见，惯性既可阻碍人类的生活和生产，也可为人们所用；其实像惯性一样，物理的研究，都有利与蔽两方面，我们应该减少物理对人们的不利方面，将物理的现象，规律正确地运用到生产生活之中。对物理的认识是无止尽的，我们要勇于探索，揭开物理的神秘面纱，使物理更好地为人类服务。相信将物理运用到生产生活中能使未来更先进，更环保。人类与物理将宜起发展。

参考文献：

《物理学史论文》——（惯性概念的认识及其影响）作者：不详

《物理学史论文》——（论惯性）作者：不详