惯性那些事儿

王洪鹏

“坐地日行八万里，巡天遥看一千河。”的确如此，地球自转的线速度是相当大的。有的人可能会突发奇想，我如果不停地跳起，就可以不花交通费旅行了。这可能吗？

什么是惯性

在回答这个问题前，我们可以去中国科技馆探索与发现展厅参观一件有意思的展品。这件展品可以展示在匀速运动的小火车上弹球保持惯性运动。展台边缘有一个操作按钮，小火车车厢顶部有一个小孔，可以向上抛起小球，我们可以按动按钮选择让小火车以较快的速度和较慢的速度行驶。通过观察发现，不论小火车以较快的速度还是较慢的速度行驶，向上抛起小球，小火车穿过桥梁以后，小球还是落回原处。其实，这些现象都可以用惯性定律来解释。由于人随地球一起运动，当人跳起来以后，由于惯性，人还保持原来的运动速度，落下的时候，人运动的距离与地面转过的距离相等，所以人仍然落回原处。匀速的小火车上弹球保持惯性运动也是同样的道理。

科学发展之路往往不是一帆风顺的，其间充满了艰难曲折，惯性定律的发现也和其他科学发现一样，经历了漫长而曲折的历程。惯性定律又叫牛顿第一运动定律，其内容是任何物体在不受任何外力的作用下，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。惯性是一切物体固有的属性，无论是固体、液体或气体，无论物体是运动还是静止，都具有惯性。质量是惯性大小的唯一量度。

惯性概念的演变

惯性概念来源于人类的生活实践，在惯性定律建立之前早就产生了。惯性概念的演变是古代和中世纪的自然哲学过渡到近代物理学的最重要标志之一。

亚里士多德认为机械运动有自然运动和强迫运动，如马拉车行驶、奴隶曳船行驶，这些运动必须有推动者，即运动必须有外力维持，否则就归于静止。他认为“一切运动的物体必定受某物的驱动”。千百年来人们都相信亚里士多德的说法——外力是物体产生并维持运动的原因。亚里士多德是根据对现象的观察、直觉推理方法得出结论的，他没有想到用实验来验证，在他的思想中对惯性没有任何认识。

在随后的两千多年中，许多先哲提出与亚里士多德不同的观点。早在公元前4世纪，古希腊的伊壁鸠鲁就已经猜测过，如果原子在虚空里没有受到任何其他东西的冲撞，一定以相等的速度向前运动。我国春秋战国时期的《墨经》不仅给出了力的定义——“力，刑之所以奋也”，还有关于惯性的论述。墨子认为“动”是由于力推送的缘故，更为重要的是他提出了“止，以久也，无久之不止，当牛非马也”的观点，意思是物体运动的停止来自于阻力阻抗的作用，如果没有阻力的话，物体会永远运动下去。这些先哲的观点都是从一定哲理出发的猜测和推理，缺乏实验根据，但都冲击着亚里士多德的断言。

在亚里士多德及其学派那

里，力被定义为“持续维持物体运动的原因”。在现实生活中，由于总是存在摩擦力，人们自然而然地产生了“物体必须有外力才能运动”的直观看法。这虽然符合常识见解，但这是不正确的。

惯性原理的出现

第一个认识惯性重要性的人是伽利略。他在为哥白尼日心说辩护时，已提出最初的惯性原理。1632年，在《关于两大世界体系的对话》中，伽利略认为地球带着大气层绕太阳运动天然地不需要推动力，他通过思想实验，断言从行船桅杆上下落的石块将会落在桅杆脚下。1638年，在《关于两门新科学对话》中，伽利略在进行理想斜面实验时又提到惯性原理。为了保证每次小车到达水平面时有相同的速度，同一小车从同一斜面上的同一位置由静止开始滑下。第一次在水平面上铺上毛巾，小车在毛巾上滑行很短的距离就停下了;第二次在水平面上铺上较光滑的棉布，小车在棉布上滑行的距离较远;第三次是光滑的木板，小车滑行的距离最远。

伽利略认为，是平面对小车的阻力使小车停下，平面越光滑，小车受到的阻力就越小，滑行也就越远。伽利略对实验进行分析，认识到运动物体受到的阻力越小，它的运动速度减小得就越慢，维持物体运动的时间就越长;他还进一步通过推理得出，在理想情况下，如果水平表面绝对光滑，物体受到的阻力为零，它的速度将不会减慢，并将以恒定不变的速度永远运动下去。

伽利略就是这样把实验、物理思想与数学演绎有机地结合起来推出了惯性原理。他的研究方法开辟了近代物理学研究的先河，为后人的研究开辟了一个新的研究模式，激励人们沿着正确的科学研究途径去寻找和探索真谛。

遗憾的是，伽利略没有正确地走完最后一步。伽利略虽然发现了惯性原理，但他并没有完全摆脱亚里士多德的影响，尽管他明确地指出在无摩擦无边际的水平面上运动将是永恒的匀速直线运动，但在其他地方，却一再强调均匀圆运动才可能是天然的和永恒的。

惯性原理也是笛卡儿机械论哲学的基石之一。笛卡儿认为：“每一个粒子总是保持运动状态不变，直至别的物体与它接触迫使它改变。”笛卡尔的论述突破了伽利略所设想的“水平面”的局限，因此一般认为笛卡儿的《哲学原理》的出版标志着近代惯性原理的提出。

惯性定律的构建及局限

18世纪，英国著名的诗人亚历山大·蒲柏写下赞颂牛顿的诗句：“自然界和自然定律都隐藏在黑夜之中，上帝说‘让牛顿出世吧！于是一切光明。”

正是让世界“光明”的牛顿把惯性思想综合概括为科学定律，其准确、精炼而严谨的表述形式一直沿用至今。惯性定律一旦构建，牛顿动力学的其余部分很快就完成了。

惯性定律是通过分析事实，再进一步概括、推理得出的。惯性定律的建立具有深刻的哲学意义，它告诉我们惯性是所有物体具有的本性，打破了地上运动和天上运动的人为界限，统一了宏观与微观的运动。由此出发，可顺利研究物体运动状态改变的原因，它是牛顿第二、第三运动定律的基础。

不过，惯性定律也有一定局限性，因为这个定律的适用条件是“只有在惯性参考系下才成立”。

惯性定律还有循环论证问题。定律成立的条件是惯性参考系，但怎样判断物体受没受外力和怎样判断所使用的参考系是不是惯性系这两件事，要同时靠物体是否在做惯性运动来决定。因此，该定律含有一定的“循环论证”或“逻辑循环”的性质，但作为力学中具有公理性质的定律，这是难以避免的。

在经典力学被相对论取代之后，我们对惯性的理解也有了很大发展。在创建广义相对论以后，爱因斯坦使惯性定律变得更有包容性：“物理学定律比牛顿所想象的情况简单得多……根本不存在偏离惯性定律的情况，所有运动都是惯性运动，所有物体完全沿着时空的自然等直线运动。”

【责任编辑】赵新宇