对于惯性规律的学习、思考和感悟

作者:杨之勇

       从物理概念概念上讲物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质称为惯性。惯性是物体的一种固有属性,表现为物体对其运动状态变化的一种阻抗程度,质量是对物体惯性大小的量度。当作用在物体上的外力为零时,惯性表现为物体保持其运动状态不变,即保持静止或匀速直线运动;当作用在物体上的外力不为零时,惯性表现为外力改变物体运动状态的难易程度。在同样的外力作用下,加速度较小的物体质量大惯性较大,加速度较大的物体质量小惯性较小。所以物体的惯性,在任何时候(受外力作用或不受外力作用),任何情况下(静止或运动),都不会改变,更不会消失。惯性是物质自身的一种属性。


        牛顿被现代社会所普遍认知的惯性原理创建人,来自于牛顿的《自然哲学的数学原理》(Mathematical Principles of Natural Philosophy, 1687),定义如下:惯性定律就是牛顿第一定律:一切物体都将一直处于静止或者匀速直线运动状态,直到出现施加其上的力改变它的运动状态为止。

       伽利略惯性原理伽利略在1632年出版的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》书中发表的,它是作为捍卫日心说的基本论点而提出来的。根据亚里士多德的物理学,保持物体以匀速运动的是力的持久作用。但是伽利略的实验结果证明物体在引力的持久影响下并不以匀速运动,而是相反地每次经过一定时间之后,在速度上就有所增加。物体在任何一点上都继续保有其速度并且被引力加剧。如果引力能够截断,物体将仍旧以它在那一点上所获得的速度继续运动下去。伽利略在金属球在斜面滚动的实验中观察到,金属球以匀速继续滚过一片光滑的平桌面。从以上这些观察结果就得到了惯性原理。这个原理阐明物体只要不受到外力的作用,就会保持其原来的静止状态或匀速运动状态不变。他主张,施加外力改变的是物体的速度而不是位置;维持物体速度不变,不需要任何外力。为了证实他的主张,伽利略做了一个思想实验。如右图所示,让静止的小球从点A滚下斜面AB,滚到最底端后,小球又会滚上斜面BC,假设两块斜面都非常的平滑、摩擦系数极小,而且空气阻力微弱,以至于可以忽略不计,则小球会滚到与点A同高度的点C;假设斜面是BD、BE或BF,小球也同样地会滚到与点A同高度的位置。只不过斜面越长,往上滚的时候,单位时间内速度的减少量会变得越小。假设斜面逐渐延长,最后变成水平面BH,则基于“连续性原则”该小球“本应当”回到与点A同高度的位置,然而由于事实上BH是水平的,小球永远不可能滚到先前的高度,而速度的减少量将变成0,因此小球会不停地呈匀速直线运动。伽利略总结,假若不碰到任何阻碍,那么运动中的物体会持续地做匀速直线运动。他将此称为惯性定律

       马赫马赫对牛顿的惯性概念做了重要的补充,认为惯性来源于物体与宇宙其余部分的相互作用。(不仅仅是物体本身的质量决定的)。

       爱因斯坦及相对论对于惯性认识的一个重要进展是惯性与能量的关系。阿尔伯特·爱因斯坦于1905年在论文《论动体的电动力学》里提出的狭义相对论,这是一个崭新的物理理论,是建立于伽利略与牛顿研究出来的惯性与惯性参考系。它统一了力学理论和电磁学理论,带来了时空观的根本变革。爱因斯坦随后证明质能关系,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。

在这里,能量包括了能量的各种形式,突破了上面把某一种形式的能量与惯性联系起来的认识。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。

        尽管这划时代的理论实际地改变了许多牛顿概念,像质量、能量、距离,那时后,爱因斯坦的惯性概念与牛顿的原本概念丝毫没有任何差异。实际而言,整个理论是建立于牛顿的惯性定义。但这也使得狭义相对论的相对性原理只能应用于惯性参考系。在这种参考系里,不受外力的物体,必定保持其静止或匀速直线运动状态。

       为了处理这局限,爱因斯坦于1916年发表论文《广义相对论的基础》提出广义相对论。这理论能够应用于非惯性参考系。但是,为了达到这目的,爱因斯坦发觉,他必需使用到弯曲时空的新概念,而不是传统的牛顿力的概念,来重新定义几个基础概念(例如引力)。

因为这重新定义,爱因斯坦还以测地误差重新定义了惯性的概念,这又引起一些微妙但重要的结果。根据广义相对论,当处理大尺寸问题时,不能使用与倚赖传统牛顿惯性。幸运地,对于足够小的时空区域,狭义相对论仍旧适用,惯性的内涵与工作仍旧与经典模型相同。狭义相对论的另一个深奥的结果是,能量与质量不是互不相干的物理属性,而是可互相转换的。这崭新关系也给予惯性概念新的内涵。狭义相对论的逻辑结果是,假若质量遵守惯性原理,则能量必也遵守惯性原理。对于很多状况,这理论大大地拓宽了惯性的定义,能够应用于物质与能量。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,聚变产物的净质量小于聚变前物质的净质量,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。

      我们知道,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问题,惯性质量和引力质量相等是一条严格的定律。原来牛顿力学中无法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论,这实在是爱因斯坦独具慧眼、超群绝伦的伟大贡献。惯性这个问题已经成为困扰现代物理学者的难题,虽然拥有伟人牛顿经典理论。但在科技时代出现许许多多的现象用以前的理论是无法解释的。使用曾经的经典无法解释的。也是现代物理的奠基人爱因斯坦留个我们后人的问题。爱因斯坦无法解释惯性,所以无奈的把相对论分成广义的和狭义的。他的人生一直被这个问题困扰还是没有答案。

       除此之外人(生命体)的行为有其惯性,可谓思想行为惯性。



      人的思想行为惯性:人的作为、爱好、情趣、也会形成惯性,也就是人的行为惯性。行为惯性有好的行为惯性,有不良的行为惯性。有句老话:三岁看老,就是说小时候的人的行为惯性如果规范不好,就会延续到老。老实不爱说话的人,总不爱说话,脾气暴躁的人遇事总脾气暴躁。有了爱写作习惯的人总想写作,有爱搞发明革新的人总想搞点发明和革新,不想打麻将的人总不爱打麻将。每个人的行为都是动态的、变化的、记得小时见人吹笛子很好听,自己有竹子自己学做笛子去吹,见别人刻手戳,也跟着学,见别人游泳也去学游泳,可见’孩子的动态惯性很值得关注,要把兴趣和爱好引导到良性的路子上来也是家长和教育部门及社会的责任和义务。惯性很主要,好的班级越来越好,差的班级越来越差。这种行为惯性又和物体惯性不同,有加速性和深变性特性。染上赌博习惯行为的人,越赌越烈。社会也是一样,江浙地区的人们和北方人们行为特性不一样,江浙地区经济发展和社会风气与别处不同。好的社会管理者(主要领导)要知道建树啥样的意识形态,规范好啥样的群体行为惯性至关重要。不去除不良行为惯性,好的良性的行为惯性建树不起来,正如瓶子气体排不出来,液体倒不进去一个道理,是站位效应的规律,是所谓不破不立是一个道理。

        规范好人的思想行为惯性去除不良惯性的保持是家长、学校、教育部门、政府、以致国家应注意的课题,也是思政人员要学习注意的学问。

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