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經(jīng)典力學(xué)論文:論經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)現(xiàn)行的慣性觀

摘要: 對經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)現(xiàn)行的慣性觀提出了不同的看法,認(rèn)為對于慣性要區(qū)分:個別研究對象的性質(zhì)與存在的性質(zhì);保持某種狀態(tài)的性質(zhì)與改變某種狀態(tài)的性質(zhì);物理學(xué)規(guī)律的動力學(xué)特性與審美性。

關(guān)鍵詞: 慣性;存在;時間;空間

慣性是經(jīng)典力學(xué)中的一個基本概念,同時它又是人們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€基礎(chǔ)性觀念,并且慣性問題也是經(jīng)常被物理學(xué)界討論的一個話題(1)?？墒?盡管經(jīng)典力學(xué)經(jīng)過了漫長的發(fā)展時期,大部分的物理教師在此問題上還存在著很多的混亂性(2),本文試從幾個方面對慣性進(jìn)行了討論,望引起大家的共識。

一、慣性的意義

大家知道,慣性是物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)(3)。一個物體,只要不受外力作用,原來靜止的就會一直靜止下去,而原來運(yùn)動的則會一直作勻速直線運(yùn)動。這里的問題在于:慣性是否是物體的性質(zhì)?依據(jù)牛頓第一運(yùn)動定律,任何物體均具有慣性。因而,看來慣性不是被研究物體的性質(zhì),因為這一性質(zhì)是一切物體所具有的,也就是說它與物體的個別特征無關(guān)。因而,慣性只能是存在的一個特征,是被研究對象周圍的環(huán)境在此對象上的表現(xiàn)。換一句話說,它是存在于物體周圍的一種條件,一種約束。

二十世紀(jì)初,德國數(shù)學(xué)家諾特爾(4)證明了:空間平移對稱性導(dǎo)致動量守恒、空間轉(zhuǎn)動對稱性導(dǎo)致角動量守恒、而時間均勻性導(dǎo)致能量守恒。事實(shí)上,物體的慣性是時間均勻性與空間對稱性的必然結(jié)果。因而它與個別的特殊研究對象無關(guān)。慣性不是個別存在物的性質(zhì),個別存在物只是慣性的顯現(xiàn)者,慣性的本質(zhì)與個別存在物的特性無關(guān)。從而我們就不能用反映個別存在物性質(zhì)的量(例如質(zhì)量)來測度慣性。因為慣性作為存在的一種顯現(xiàn),并無大小可言,它只是存在之狀態(tài)的表達(dá)。

二、慣性與物體運(yùn)動狀態(tài)變化的難易程度無關(guān)

通常認(rèn)為質(zhì)量是物體慣性大小的量度是據(jù)于這樣的理由:質(zhì)量大的物體在相同的力作用下其運(yùn)動狀態(tài)不容易改變。這是由牛頓第二定律所得到的基本結(jié)論。而事實(shí)上物體運(yùn)動狀態(tài)是否變化,物體運(yùn)動狀態(tài)的變化是難還是容易是與慣性無關(guān)的。慣性所揭示出的物體之性質(zhì)不在于其使(或抗拒)物體運(yùn)動狀態(tài)的改變或代表改變的難易程度的能力,而在于它的保持某種特定狀態(tài)(靜止或勻速直線運(yùn)動)的本領(lǐng):在最相似的物之間,錯覺說著最巧妙的謊;最小的罅隙是最難度(5)。因而慣性與物體的質(zhì)量無關(guān)。倘若慣性與物體的質(zhì)量有關(guān)的話,則我們也可以說力與慣性也有關(guān)系。因為對于相同質(zhì)量的物體而言,力越小其運(yùn)動狀態(tài)就越難改變。因而,也即力越小物體的慣性越大。事實(shí)上,在慣性概念發(fā)展的最初時期,牛頓就將慣性與力進(jìn)行等價的思考,當(dāng)然現(xiàn)在大家知道牛頓的把慣性等同于力的思想是錯的了。如果要說質(zhì)量與慣性確有聯(lián)系的話,作者以為也只能從這樣的一個視角來看:慣性是由其表現(xiàn)物體周圍存在著的與時空有關(guān)的天體質(zhì)量分布情況決定著的性質(zhì)。這是因為,根據(jù)廣義相對論,空間的性質(zhì)是由天體質(zhì)量的分布所決定的。至于時間,自從奧古斯丁(6)提出“什么是時間?”以來,人們還沒有認(rèn)清它的真面目,也因而從更深的層次上而言,人們只認(rèn)識到什么是慣性而還沒有搞清慣性是什么。

慣性不是一種由個別物體自身所具備的原因(誠然,所有物體均會表現(xiàn)出慣性),它不是我們的一種吃力的、需要支撐的、痛苦感的反映,事實(shí)上,它是存在之美感的綻開。因而“慣性是物體對任何改變其運(yùn)動狀態(tài)的外來作用的阻抗的性質(zhì)”(7)這樣一種說法就是不當(dāng)?shù)摹Ｒ驗檫@一注釋還是從對牛頓第二定律的基本分析而來的,在這一注釋中已經(jīng)隱藏了牛頓第二定律及對慣性與物體質(zhì)量等價的認(rèn)同感。其實(shí),慣性是一種令人十分安全的、舒適的、和諧的存在之性質(zhì),它使物體的存在行為非常簡單,而人們也往往由于常見到這種存在的簡單性而忽視了它的深層含義。靜止的永遠(yuǎn)靜止,運(yùn)動的永遠(yuǎn)作勻速直線運(yùn)動,慣性就是將存在如此單調(diào)而重復(fù)地顯現(xiàn)在人們眼前。凡是背離了這兩種物體的存在情況而用慣性去解釋其存在原因的,作者以為均屬一種不當(dāng)?shù)脑庌q行為?？墒沁@種詭辯行為不僅麻木了人的腦神經(jīng)而且充斥著各種各樣的教科書(8),我們來看一些下面的例子。

例1.慣性也有不利的一面,高速行駛的車輛因慣性而不能及時制動常造成交通事故。所以,在城市的市區(qū),對機(jī)動車的車速都有一定的限制,以利于行車安全。(9)

在這里,不能及時制動是由于慣性還是由于制動力不夠大?略作思考,讀者就可判斷出是由于后者。將慣性看成一種破壞力是十分荒唐的。而發(fā)生交通事故的真正原因是,由于車輛質(zhì)量較大,而相應(yīng)的制動力在如此質(zhì)量的物體上所產(chǎn)生的加速度很小,不能使車輛很快地減速,從而在短時間內(nèi)停下來。倘若對于質(zhì)量較大的車輛來說制動力也允許更大,那么作者認(rèn)為還是可以在一定的時間內(nèi)制動車輛的。

并且,這個例子中的“高速行駛的車輛”及“對機(jī)動車的車速都有一定的限制”的字句很容易使學(xué)生認(rèn)為慣性和物體的運(yùn)動速度有關(guān)。這對于初學(xué)者來說是一個很大的誤導(dǎo)。

例2.把斧柄的一端在水泥地面上撞擊幾下,斧頭就牢牢地套在斧柄上了,這是什么緣故呢?(10)

通常標(biāo)準(zhǔn)答案是這樣的:開始斧頭和斧柄同時向下運(yùn)動,當(dāng)斧柄遇到障礙物時突然停止,而斧頭由于慣性保持原來的運(yùn)動狀態(tài),這樣斧頭就牢牢地套在斧柄上了。

事實(shí)上,斧頭在斧柄上套牢是由于斧頭克服了阻力相對于斧柄運(yùn)動了一段位移,而慣性不是克服某種阻力使斧頭運(yùn)動的原因。在此問題中的一個效果是斧頭相對于斧柄產(chǎn)生了某種(克服一定力的)運(yùn)動,因而我們必須以斧柄為參照系來考察此種運(yùn)動的實(shí)質(zhì)。當(dāng)以斧柄為參照時,實(shí)際上斧柄在撞擊的過程中是一個非慣性系,它相對于慣性系有一個向上的加速度。因而斧頭在此參照系中必受到一個向下的“慣性力”,正是此力與斧頭的重力克服了斧頭與斧柄之間的彈力與摩擦阻力使斧頭相對于斧柄前進(jìn)了一段位移,從而使斧頭在斧柄上套牢。如果一定要以地面為參照系來看斧頭在斧柄上套牢的問題,那么可以這樣認(rèn)為:雖然斧頭在斧柄上向下套牢的過程中沒有受到除重力以外的向下的另外力,但相對于地面而言斧頭具有一定的動能和重力勢能,正是這個能量克服了阻力作功從而轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。所以從效果上看,一是斧頭相對于斧柄向下移動了一段位移,二是斧頭與斧柄的接觸面上在發(fā)熱。

如果僅從動力學(xué)的角度來看,斧頭在斧柄上套得牢不牢是由其受到的作用力大小與作用時間(或所通過的位移)所共同決定的,也就是說它和斧頭相對于斧柄的動能或動量變化有關(guān)。斧柄在“水泥地面”上“撞擊”這兩個條件只是使斧柄產(chǎn)生了相對于水泥地面的較大的動量變化率,從而也使斧頭具有了相對于斧柄的慣性力。但是,雖然這個慣性力構(gòu)成了斧頭套牢在斧柄上的直接原因,可嚴(yán)格地說,斧頭在斧柄上套得牢不牢的原因還和斧頭的重力及斧柄的彈性和斧頭與斧柄的摩擦力大小均有關(guān)系。并且斧頭在斧柄上套得牢不牢和作用時 間也大有關(guān)系,因而,撞擊“幾下”也是一個非常重要的條件。

例3.小車上豎直放置一個木塊,讓木塊隨小車沿著桌面向右運(yùn)動,當(dāng)小車被檔板制動時,車上的木塊向右傾倒。這是怎么回事呢?(11)

教科書上的答案是這樣的:小車突然停止的時候,由于木塊和小車之間的摩擦,木塊的底部也隨著停止,可是木塊的上部由于慣性要保持原來的運(yùn)動狀態(tài),所以木塊向右傾倒。

事實(shí)上,本例中小車上木塊的傾倒是由于力矩作用的緣故。若以地面為參照物,小車對木塊的摩擦力對木塊的重心而言有一個順時針旋轉(zhuǎn)的力矩,從而木塊向右傾倒。若以小車為參照物,小車被檔板制動時已是一個非慣性系,作用在木塊(重心)上的“慣性力”對木塊的底端也產(chǎn)生一個使木塊作順時針旋轉(zhuǎn)的力矩。

需要指出的是,在上述例2和例3中,斧頭在斧柄上套牢和木塊在小車上傾倒已是一個涉及物體在非慣性系中的動力學(xué)的問題。其中例2是非慣性系中的質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)問題,而例3則是非慣性系中的剛體動力學(xué)問題。可是,在非慣性系中,我們通常意義上所論述的牛頓第一定律已不成立,從而也失去了此兩例的代表意義。也就是說,這兩個例子不僅是不準(zhǔn)確的解釋而且是不適當(dāng)?shù)睦?。在涉及慣性的問題上我們必須分別那些是屬于慣性現(xiàn)象,而那些則不屬于慣性現(xiàn)象——即為動力學(xué)現(xiàn)象。牛頓的例子,毫無疑問是正確的(12),但我們許多的物理學(xué)工作者卻將慣性對事物的解釋范圍作了相當(dāng)隨意而并不恰當(dāng)?shù)臄U(kuò)展或扭曲。其實(shí)在講述慣性時,用不著舉更新鮮的特別例子,倒是需指出慣性使我們對事物常態(tài)的存在方式太熟視無睹了。這里問題的關(guān)鍵在于,慣性不是使物體改變運(yùn)動狀態(tài)(使火車制動、使斧頭套牢在斧柄上、使小木塊傾倒)的原因。嚴(yán)格地說,這些原因和物體的慣性無關(guān),只和力有關(guān),而至于火車制動得及時不及時,斧頭套在斧柄上牢不牢,小木塊傾倒得快不快,則不僅與力有關(guān),還和物體的質(zhì)量、形體、初速度有關(guān)。但即使如此地與質(zhì)量和初速有關(guān)卻也與慣性無關(guān)。

慣性,這個我們通常認(rèn)為是由物體內(nèi)在因素決定的性質(zhì),其實(shí)是物體存在方式的一種條件性:“試取汽車為參考系統(tǒng)來研究‘當(dāng)汽車急劇剎車的時候,車中乘客有向前傾倒的傾向’這個問題,在汽車急劇剎車前,相對于汽車而言,乘客是靜止的,在汽車急劇剎車時,乘客突然向前傾,這就是說,以汽車為參考系統(tǒng),乘客由靜止而突然向前傾,并不保持其靜止?fàn)顟B(tài),并不表現(xiàn)出慣性”(13)。這個條件就是:物體要表現(xiàn)出慣性,它必須處于慣性參考系中。而“事物的存在頑強(qiáng)地延續(xù)維持不變,無論運(yùn)動是快是慢抑或停止?！?14)也只在慣性系中才成立。在研究物體的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)問題時,慣性系總有著特殊的地位?？墒?這個特殊地位的存在并不單單是人類抽象理性的功勞,并不是人類貪懶和間集化的一個報應(yīng),慣性系的存在有其形而上的基礎(chǔ):自然之美的呈現(xiàn)及人對自然之美呈現(xiàn)體認(rèn)的同一性。如果沒有了存在的時間均勻性與空間對稱性,我們選取的相對于地面作勻速直線運(yùn)動的參考系對研究動力學(xué)問題而言也就將成為一個畸形的怪胎。慣性系不僅在計算上向人類提供了聯(lián)系物體的相互作用與相對運(yùn)動的便利方式,其更根本的是它使人與存在的關(guān)系成為審美性的。慣性定律給我們的啟示是:存在是美的。而慣性系則是自然對人的一個饋贈。也因而,我們應(yīng)當(dāng)從審美的視角來看待慣性,而不應(yīng)當(dāng)將它看成一個惡魔或一件便宜貨。

所有的老師都要求學(xué)生不要把慣性與慣性定律混為一談,可是當(dāng)我們的老師用動力學(xué)的觀點(diǎn)來看待慣性——也就是說,把慣性與牛頓第二定律混為一談的時候,對學(xué)生的這一期望是合適的嗎?其實(shí)這是一個誤區(qū):當(dāng)教完一些物理學(xué)的基本概念與規(guī)律以后,就要求學(xué)生用它們解釋自然現(xiàn)象。事實(shí)上,物理學(xué)中有些基本概念與規(guī)律不是要求我們?nèi)ソ忉屪匀滑F(xiàn)象,它沒有這個功能,它只是告訴我們要去感受些什么,它提供給我們的不是一種推理的方式,而是一個判斷的原則 :它促成我們的判斷更接近于自然之美的呈現(xiàn)。

三、慣性定律與牛頓第二定律的關(guān)系

當(dāng)物體所受的合外力為零時,從牛頓第二定律可知物體處于靜止?fàn)顟B(tài)或作勻速直線運(yùn)動?？墒?僅依據(jù)這一點(diǎn)卻不能認(rèn)為牛頓第一定律是牛頓第二定律的一個特例。因為這兩個定律的論述對象其實(shí)是不一樣的。牛頓第二定律的研究對象是一個物體,而牛頓第一定律論述的是整個存在的性質(zhì)。慣性——這個任何物體均具有的性質(zhì)其實(shí)不是我們的個別研究對象所具有的性質(zhì),因為這個“任何物體”,包括了天地間的萬物,而萬物的總稱(15)即是宇宙:“四方上下曰宇,古往今來曰宙”.也即任何個別的物體都不可能無條件地具有慣性:慣性是存在的特性,是存在著的時空的特性,是宇宙的特性。

其次,牛頓第二定律是關(guān)于個別物體因果性的規(guī)律,而牛頓第一定律卻與個別物體的因果性無關(guān),它是存在之狀態(tài)的表述,它的表述是與具體的特定的時間無關(guān)的、瞬時性的。正是這種非時間性(16)構(gòu)成了牛頓力學(xué)的本質(zhì)特征。也正是牛頓第一定律所成立的時間均勻性與空間對稱性構(gòu)成了慣性系的特殊地位,從而使我們可以在牛頓第二定律的意義上來研究物體的動力學(xué)關(guān)系。因為毫無疑問,物體的運(yùn)動性質(zhì)和規(guī)律與采用怎樣的空間和時間來度量有著密切的關(guān)系(17)。由此可見,不僅牛頓第一定律不是牛頓第二定律和特例,恰恰相反,現(xiàn)行的動力學(xué)規(guī)律正是牛頓第一定律所揭示的存在之性在具體的個體事物上的展現(xiàn)。慣性定律比牛頓第二定律具有更強(qiáng)的基礎(chǔ)性。也就是說,正是慣性現(xiàn)象,構(gòu)成了牛頓動力學(xué)所以成立的操作平臺。由于物體在不受外力作用下保持其速度不變,因而物體運(yùn)動速度的變化才跟物體的受力相關(guān)。

最后,牛頓把慣性定律放在三個運(yùn)動定律的首位也是與其對自然的信仰因素有關(guān)的。因為在文藝復(fù)興之前的絕大部分思想家繼承了亞里士多德關(guān)于物體運(yùn)動內(nèi)在決定論的觀點(diǎn)。但在牛頓看來,基本的物質(zhì)粒子完全是惰性的,沒有任何自發(fā)的運(yùn)動,而電、磁、光這些‘非物質(zhì)’的力量則成為神在自然中的行動的載體(18)。也就是說,慣性定律內(nèi)隱含著牛頓否定亞里士多德運(yùn)動觀的內(nèi)在目的論從而建立新力學(xué)的形而上基礎(chǔ)。

四、慣性與具體物體的質(zhì)量無關(guān)

從上面的討論可以看出:“質(zhì)量是物體慣性大小的量度”這個論題,在幾個角度去看都是錯誤的。第一,質(zhì)量不是物體慣性大小的量度。個別研究對象的質(zhì)量與其所揭示的慣性毫無關(guān)聯(lián)。因為這兩者從數(shù)量上來看是一對無窮大的關(guān)系,從內(nèi)容上來看是個體與存在的關(guān)系,在它們之間,人類的理性不可能找到邏輯上的因果鏈。第二,“物體(的)慣性”這樣的說法缺乏依據(jù),因為慣性不是物體的性質(zhì)。物體只是作為慣性的表現(xiàn)者而存在的。第三,“慣性(的)大小”這樣的說法也缺乏依據(jù),因為慣性沒有大小,慣性只是存在的一種表達(dá)方式,一種特定狀態(tài)的顯現(xiàn)。第四,既然慣性并無大小,我們也不可去進(jìn)行量度,事實(shí)上,任何一本教科書上也沒有指出慣性與質(zhì)量的函數(shù)關(guān)系,因為這一函數(shù)關(guān)系并不存在,它只是人們的一個虛假的邏輯推測,誰也不能證明質(zhì)量與慣性成正比或不成正比 ,更不能得出它們之間的比例系數(shù),因為這些關(guān)系均是虛假的。因而,物理學(xué)界流傳的物體的慣性等于它的質(zhì)量(19)只是人們一個隨心所欲的錯誤言說。

由于物體質(zhì)量與慣性無關(guān),所以,將牛頓第二定律中的質(zhì)量稱為慣性質(zhì)量就是不當(dāng)?shù)?質(zhì)量的確對物體運(yùn)動狀態(tài)的改變有一種象力一樣的阻抗作用,質(zhì)量在改變物體運(yùn)動的狀態(tài)上而言似乎有一種“消解”、“抗拒”力的性質(zhì)。因而作者認(rèn)為可將現(xiàn)行的“慣性質(zhì)量”改稱為物體的“抗性質(zhì)量”。正如牛頓所說:“物體只有當(dāng)有其他力作用于它,或者要改變它的狀態(tài)時,才會產(chǎn)生這種力。這種力的作用既可以看做是抵抗力,也可以看做是推斥力。(20)”因為質(zhì)量與物體運(yùn)動狀態(tài)的變化快慢有關(guān),它事實(shí)上具有動力學(xué)特征,當(dāng)一個物體的質(zhì)量大時,它對運(yùn)動狀態(tài)改變的阻抗能力就越大。

從邏輯上而言,我們只有將慣性從物質(zhì)的內(nèi)在因素中解除出來,才能完全地克服牛頓時代的機(jī)械論自然觀與牛頓第一運(yùn)動定律之間存在著的深刻矛盾。也就是說,這樣才能使牛頓第一定律恰如其分地建立在由文藝復(fù)興所形成的機(jī)械論而不是亞里士多德的目的論的形而上學(xué)基礎(chǔ)之上。

五、慣性定律的表述方式

牛頓第一定律是動力學(xué)定律的基礎(chǔ),但它本身并不表征物體的某種動力學(xué)性質(zhì),它是關(guān)于人類體認(rèn)自然之美、自然之和諧的陳述。據(jù)于上面的論述,對牛頓第一定律的陳述方式作以下的要求是并不過分的:反映時間的均勻性,空間的對稱性 ,及自然之美對人的呈現(xiàn)?？墒?現(xiàn)行的許多教科書中對牛頓第一定律的陳述是很不一致的。當(dāng)然,這種不一致性用老眼光來看是無傷大雅的,但以今天的眼光來看,這種差異性就成為值得商討的了。

例如:一個物體,如果沒有受到其他物體的作用,它就保持自己的靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)(21)。這樣的陳述可能離慣性定律的本義較遠(yuǎn),因為這一陳述的方式是在動力學(xué)的維度上來進(jìn)行的,陳述的對象是“一個物體”。這和牛頓第二定律的研究對象是一致的,這樣方式的陳述毫無疑問地可以把慣性定律認(rèn)為是牛頓第二定律的一個特例,因為“如果沒有”這幾個字就表達(dá)了陳述事件的某種特殊性。

另外一種常見的陳述方式是:一切物體總保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài),直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。(22)這樣一種表述比前一種完整多了,它幾乎就是牛頓的原義,但這里的“一切物體”應(yīng)當(dāng)換成“任何物體”(23)。因為在此論述中的“任何物體”實(shí)際上是對一切物體的否定,而“有外力”應(yīng)當(dāng)換成“其它物體的作用”,因為慣性定律是不涉及力的,操作意義上的力這個動力學(xué)的基本概念與慣性無關(guān)。

作者試著這樣來陳述慣性定律:存在著的宇宙有這樣一種性質(zhì),它使任何物體在沒有受到其它物體作用的時候總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)?；蛟S,這樣的一種陳述方式是較明晰的陳述方式,它強(qiáng)調(diào)了慣性與慣性的表現(xiàn)者(個別研究對象)的嚴(yán)格區(qū)分,這個陳述的主語是性質(zhì),這樣的陳述才可稱為關(guān)于“慣性”的定律。而我們也應(yīng)當(dāng)將慣性定義為:使物體保持靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)。

六、人們誤解慣性的來源

人們在慣性問題上所犯的錯誤認(rèn)識,既來源于歷史上人們對于和慣性概念相聯(lián)結(jié)的力與物體運(yùn)動關(guān)系的一貫表達(dá)方式,又來源于牛頓的表述與對于牛頓力學(xué)理解上的偏差。“事實(shí)上,牛頓似乎注定要被人誤解”。(24) 在牛頓所陳述的第一定律中:(25)“每個物體都保持其靜止、或勻速直線運(yùn)動的狀態(tài),除非有外力作用于它迫使它改變那個狀態(tài)(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.)”。牛頓對“除非有外力作用于它迫使它”作出了對應(yīng)的理解,即認(rèn)為保持其靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)的物體是由內(nèi)部原因的,這個內(nèi)部原因即稱為慣性:“vis insita,或物質(zhì)固有的力,是一種起抵抗作用的力,它存在于每一個物體當(dāng)中,大小與該物體相當(dāng),并使之保持其現(xiàn)有的狀態(tài),或是靜止,或是勻速直線運(yùn)動”。(26)在牛頓時代,作出這樣的判斷是無可厚非的:“一個物體,由于其物質(zhì)的惰性(現(xiàn)稱慣性——譯者注),要改變它的靜止或運(yùn)動狀態(tài)就極其不易。因此這種固有的力可以用一個最確切的名稱‘慣性’或‘惰性力’來稱它?！?27)因為在牛頓時代是無法判定慣性的本質(zhì)的。從牛頓的這一段話我們大致可以判斷出,他幾乎是在第二定律的意義上來領(lǐng)會慣性的,因而他才認(rèn)為(慣性)大小與該物體的運(yùn)動和質(zhì)量有關(guān)。

這一觀點(diǎn)可以追蹤到亞里士多德,它影響了包括牛頓在內(nèi)的一大批科學(xué)家的思維方式。在牛頓之前的開普勒也就慣性說過(29):“如果天體不賦有類似于重量的慣性,要使它運(yùn)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”;“慣性,或?qū)\(yùn)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(qiáng)?！庇纱宋覀円部梢?在開普勒那里已經(jīng)有慣性等同于力與質(zhì)量的觀點(diǎn)了。

從上面的論述可以看出,人們對于慣性的錯誤理解主要是由歷史原因所造成的,這個原因主要在于:人們普遍地認(rèn)為事物外在的狀態(tài)是有其內(nèi)在原因的。當(dāng)人們在物體之外找不到令人信服的可感覺的原因的時候,就只能把它歸因于物體的內(nèi)部。牛頓將慣性歸因于物體的內(nèi)部,把慣性看成阻礙物體改變其靜止或勻速直線運(yùn)動狀況的內(nèi)力,他假設(shè)的慣性非常接近布里丹的沖力——即:慣性作為一個內(nèi)力,在缺乏外部動力或阻力時,會引起無定限的直線運(yùn)動(30),另一方面,牛頓的慣性觀又來自于他對古希臘關(guān)于自然具有靈魂觀念的繼承,我們可以從他的著作中強(qiáng)烈地感到,他具有自然界的物體與人一樣會在受到作用時產(chǎn)生反作用這樣一種強(qiáng)烈的思想意向。顯然,在現(xiàn)代人看來,自然界的物體是與人具有本質(zhì)區(qū)別的。

在牛頓以后,歐拉則將牛頓關(guān)于vis insita 的比較隱晦的注釋作了同牛頓之前的有些科學(xué)家的直感一樣的有一定危險性的表白:“慣性是物體保持靜止或保持勻速直線運(yùn)動的能力.....慣性的大小與質(zhì)量成正比例?！?31) 可是現(xiàn)在看來,這種危險性中是帶有錯誤的。從那以后到現(xiàn)在,人們對于慣性的理解基本上是庸俗性質(zhì)的。隨著現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展,特別是諾特爾之后,我們可以認(rèn)識到使物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)的原因并不在物體的內(nèi)部、也跟力無關(guān),而是由于物體所處的時間均勻性與空間對稱性。也就是說,我們必須對牛頓意義上的慣性作出更開放性與發(fā)展性的理解,牛頓的vis insita(慣性是一個消極的本原,靠此本原物體維持它們的運(yùn)動或靜止,按照作用力的大小接受運(yùn)動,按照受到阻力的大小抵制運(yùn)動。(32))可以深入為兩個層面的結(jié)論:在沒有外力的作用下,一個物體,它能保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動是由于慣性,即時間均勻性與空間對稱性;在同樣大小的力的作用下,一個物體它的運(yùn)動狀態(tài)較難改變是由于它的動力學(xué)特性——抗性,即它的質(zhì)量較大。

經(jīng)典力學(xué)論文:論經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)現(xiàn)行的慣性觀

摘要: 對經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)現(xiàn)行的慣性觀提出了不同的看法，認(rèn)為對于慣性要區(qū)分：個別 研究 對象的性質(zhì)與存在的性質(zhì)；保持某種狀態(tài)的性質(zhì)與改變某種狀態(tài)的性質(zhì)；物 理學(xué) 規(guī)律 的動力學(xué)特性與審美性。

關(guān)鍵詞: 慣性；存在；時間；空間

慣性是經(jīng)典力學(xué)中的一個基本概念，同時它又是人們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€基礎(chǔ)性觀念，并且慣性 問題 也是經(jīng)常被物理學(xué)界討論的一個話題（1）?？墒?，盡管經(jīng)典力學(xué)經(jīng)過了漫長的 發(fā)展 時期，大部分的物理教師在此問題上還存在著很多的混亂性（2），本文試從幾個方面對慣性進(jìn)行了討論，望引起大家的共識。

一、慣性的意義

大家知道，慣性是物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)（3）。一個物體，只要不受外力作用，原來靜止的就會一直靜止下去，而原來運(yùn)動的則會一直作勻速直線運(yùn)動。這里的問題在于：慣性是否是物體的性質(zhì)？依據(jù)牛頓第一運(yùn)動定律，任何物體均具有慣性。因而，看來慣性不是被研究物體的性質(zhì)，因為這一性質(zhì)是一切物體所具有的，也就是說它與物體的個別特征無關(guān)。因而，慣性只能是存在的一個特征，是被研究對象周圍的環(huán)境在此對象上的表現(xiàn)。換一句話說，它是存在于物體周圍的一種條件，一種約束。

二十世紀(jì)初，德國數(shù)學(xué)家諾特爾（4）證明了：空間平移對稱性導(dǎo)致動量守恒、空間轉(zhuǎn)動對稱性導(dǎo)致角動量守恒、而時間均勻性導(dǎo)致能量守恒。事實(shí)上，物體的慣性是時間均勻性與空間對稱性的必然結(jié)果。因而它與個別的特殊研究對象無關(guān)。慣性不是個別存在物的性質(zhì)，個別存在物只是慣性的顯現(xiàn)者，慣性的本質(zhì)與個別存在物的特性無關(guān)。從而我們就不能用反映個別存在物性質(zhì)的量（例如質(zhì)量）來測度慣性。因為慣性作為存在的一種顯現(xiàn)，并無大小可言，它只是存在之狀態(tài)的表達(dá)。

二、慣性與物體運(yùn)動狀態(tài)變化的難易程度無關(guān)

通常認(rèn)為質(zhì)量是物體慣性大小的量度是據(jù)于這樣的理由：質(zhì)量大的物體在相同的力作用下其運(yùn)動狀態(tài)不容易改變。這是由牛頓第二定律所得到的基本結(jié)論。而事實(shí)上物體運(yùn)動狀態(tài)是否變化，物體運(yùn)動狀態(tài)的變化是難還是容易是與慣性無關(guān)的。慣性所揭示出的物體之性質(zhì)不在于其使（或抗拒）物體運(yùn)動狀態(tài)的改變或代表改變的難易程度的能力，而在于它的保持某種特定狀態(tài)（靜止或勻速直線運(yùn)動）的本領(lǐng)：在最相似的物之間，錯覺說著最巧妙的謊；最小的罅隙是最難度（5）。因而慣性與物體的質(zhì)量無關(guān)。倘若慣性與物體的質(zhì)量有關(guān)的話，則我們也可以說力與慣性也有關(guān)系。因為對于相同質(zhì)量的物體而言，力越小其運(yùn)動狀態(tài)就越難改變。因而，也即力越小物體的慣性越大。事實(shí)上，在慣性概念發(fā)展的最初時期，牛頓就將慣性與力進(jìn)行等價的思考，當(dāng)然現(xiàn)在大家知道牛頓的把慣性等同于力的思想是錯的了。如果要說質(zhì)量與慣性確有聯(lián)系的話，作者以為也只能從這樣的一個視角來看：慣性是由其表現(xiàn)物體周圍存在著的與時空有關(guān)的天體質(zhì)量分布情況決定著的性質(zhì)。這是因為，根據(jù)廣義相對論，空間的性質(zhì)是由天體質(zhì)量的分布所決定的。至于時間，自從奧古斯?。?）提出“什么是時間？”以來，人們還沒有認(rèn)清它的真面目，也因而從更深的層次上而言，人們只認(rèn)識到什么是慣性而還沒有搞清慣性是什么。

慣性不是一種由個別物體自身所具備的原因（誠然，所有物體均會表現(xiàn)出慣性），它不是我們的一種吃力的、需要支撐的、痛苦感的反映，事實(shí)上，它是存在之美感的綻開。因而“慣性是物體對任何改變其運(yùn)動狀態(tài)的外來作用的阻抗的性質(zhì)”（7）這樣一種說法就是不當(dāng)?shù)?。因為這一注釋還是從對牛頓第二定律的基本 分析 而來的，在這一注釋中已經(jīng)隱藏了牛頓第二定律及對慣性與物體質(zhì)量等價的認(rèn)同感。其實(shí)，慣性是一種令人十分安全的、舒適的、和諧的存在之性質(zhì)，它使物體的存在行為非常簡單，而人們也往往由于常見到這種存在的簡單性而忽視了它的深層含義。靜止的永遠(yuǎn)靜止，運(yùn)動的永遠(yuǎn)作勻速直線運(yùn)動，慣性就是將存在如此單調(diào)而重復(fù)地顯現(xiàn)在人們眼前。凡是背離了這兩種物體的存在情況而用慣性去解釋其存在原因的，作者以為均屬一種不當(dāng)?shù)脑庌q行為?？墒沁@種詭辯行為不僅麻木了人的腦神經(jīng)而且充斥著各種各樣的教科書（8），我們來看一些下面的例子。

例1．慣性也有不利的一面，高速行駛的車輛因慣性而不能及時制動常造成 交通 事故。所以，在城市的市區(qū)，對機(jī)動車的車速都有一定的限制，以利于行車安全。（9）

在這里，不能及時制動是由于慣性還是由于制動力不夠大？略作思考，讀者就可判斷出是由于后者。將慣性看成一種破壞力是十分荒唐的。而發(fā)生交通事故的真正原因是，由于車輛質(zhì)量較大，而相應(yīng)的制動力在如此質(zhì)量的物體上所產(chǎn)生的加速度很小，不能使車輛很快地減速，從而在短時間內(nèi)停下來。倘若對于質(zhì)量較大的車輛來說制動力也允許更大，那么作者認(rèn)為還是可以在一定的時間內(nèi)制動車輛的。

并且，這個例子中的“高速行駛的車輛”及“對機(jī)動車的車速都有一定的限制”的字句很容易使學(xué)生認(rèn)為慣性和物體的運(yùn)動速度有關(guān)。這對于初學(xué)者來說是一個很大的誤導(dǎo)。

例2．把斧柄的一端在水泥地面上撞擊幾下，斧頭就牢牢地套在斧柄上了，這是什么緣故呢？（10）

通常標(biāo)準(zhǔn)答案是這樣的：開始斧頭和斧柄同時向下運(yùn)動，當(dāng)斧柄遇到障礙物時突然停止，而斧頭由于慣性保持原來的運(yùn)動狀態(tài)，這樣斧頭就牢牢地套在斧柄上了。

事實(shí)上，斧頭在斧柄上套牢是由于斧頭克服了阻力相對于斧柄運(yùn)動了一段位移，而慣性不是克服某種阻力使斧頭運(yùn)動的原因。在此問題中的一個效果是斧頭相對于斧柄產(chǎn)生了某種（克服一定力的）運(yùn)動，因而我們必須以斧柄為參照系來考察此種運(yùn)動的實(shí)質(zhì)。當(dāng)以斧柄為參照時，實(shí)際上斧柄在撞擊的過程中是一個非慣性系，它相對于慣性系有一個向上的加速度。因而斧頭在此參照系中必受到一個向下的“慣性力”，正是此力與斧頭的重力克服了斧頭與斧柄之間的彈力與摩擦阻力使斧頭相對于斧柄前進(jìn)了一段位移，從而使斧頭在斧柄上套牢。如果一定要以地面為參照系來看斧頭在斧柄上套牢的問題，那么可以這樣認(rèn)為：雖然斧頭在斧柄上向下套牢的過程中沒有受到除重力以外的向下的另外力，但相對于地面而言斧頭具有一定的動能和重力勢能，正是這個能量克服了阻力作功從而轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。所以從效果上看，一是斧頭相對于斧柄向下移動了一段位移，二是斧頭與斧柄的接觸面上在發(fā)熱。

如果僅從動力學(xué)的角度來看，斧頭在斧柄上套得牢不牢是由其受到的作用力大小與作用時間（或所通過的位移）所共同決定的，也就是說它和斧頭相對于斧柄的動能或動量變化有關(guān)。斧柄在“水泥地面”上“撞擊”這兩個條件只是使斧柄產(chǎn)生了相對于水泥地面的較大的動量變化率，從而也使斧頭具有了相對于斧柄的慣性力。但是，雖然這個慣性力構(gòu)成了斧頭套牢在斧柄上的直接原因，可嚴(yán)格地說，斧頭在斧柄上套得牢不牢的原因還和斧頭的重力及斧柄的彈性和斧頭與斧柄的摩擦力大小均有關(guān)系。并且斧頭在斧柄上套得牢不牢和作用時間也大有關(guān)系，因而，撞擊“幾下”也是一個非常重要的條件。

例3．小車上豎直放置一個木塊，讓木塊隨小車沿著桌面向右運(yùn)動，當(dāng)小車被檔板制動時，車上的木塊向右傾倒。這是怎么回事呢？（11）

教科書上的答案是這樣的：小車突然停止的時候，由于木塊和小車之間的摩擦，木塊的底部也隨著停止，可是木塊的上部由于慣性要保持原來的運(yùn)動狀態(tài)，所以木塊向右傾倒。

事實(shí)上，本例中小車上木塊的傾倒是由于力矩作用的緣故。若以地面為參照物，小車對木塊的摩擦力對木塊的重心而言有一個順時針旋轉(zhuǎn)的力矩，從而木塊向右傾倒。若以小車為參照物，小車被檔板制動時已是一個非慣性系，作用在木塊（重心）上的“慣性力”對木塊的底端也產(chǎn)生一個使木塊作順時針旋轉(zhuǎn)的力矩。

需要指出的是，在上述例2和例3中，斧頭在斧柄上套牢和木塊在小車上傾倒已是一個涉及物體在非慣性系中的動力學(xué)的問題。其中例2是非慣性系中的質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)問題，而例3則是非慣性系中的剛體動力學(xué)問題?？墒?，在非慣性系中，我們通常意義上所論述的牛頓第一定律已不成立，從而也失去了此兩例的代表意義。也就是說，這兩個例子不僅是不準(zhǔn)確的解釋而且是不適當(dāng)?shù)睦?。在涉及慣性的問題上我們必須分別那些是屬于慣性現(xiàn)象，而那些則不屬于慣性現(xiàn)象——即為動力學(xué)現(xiàn)象。牛頓的例子，毫無疑問是正確的（12），但我們許多的物理學(xué)工作者卻將慣性對事物的解釋范圍作了相當(dāng)隨意而并不恰當(dāng)?shù)臄U(kuò)展或扭曲。其實(shí)在講述慣性時，用不著舉更新鮮的特別例子，倒是需指出慣性使我們對事物常態(tài)的存在方式太熟視無睹了。這里問題的關(guān)鍵在于，慣性不是使物體改變運(yùn)動狀態(tài)（使火車制動、使斧頭套牢在斧柄上、使小木塊傾倒）的原因。嚴(yán)格地說，這些原因和物體的慣性無關(guān)，只和力有關(guān)，而至于火車制動得及時不及時，斧頭套在斧柄上牢不牢，小木塊傾倒得快不快，則不僅與力有關(guān)，還和物體的質(zhì)量、形體、初速度有關(guān)。但即使如此地與質(zhì)量和初速有關(guān)卻也與慣性無關(guān)。

慣性，這個我們通常認(rèn)為是由物體內(nèi)在因素決定的性質(zhì)，其實(shí)是物體存在方式的一種條件性：“試取汽車為 參考 系統(tǒng)來研究‘當(dāng)汽車急劇剎車的時候，車中乘客有向前傾倒的傾向’這個問題，在汽車急劇剎車前，相對于汽車而言，乘客是靜止的，在汽車急劇剎車時，乘客突然向前傾，這就是說，以汽車為參考系統(tǒng)，乘客由靜止而突然向前傾，并不保持其靜止?fàn)顟B(tài)，并不表現(xiàn)出慣性”（13）。這個條件就是：物體要表現(xiàn)出慣性，它必須處于慣性參考系中。而“事物的存在頑強(qiáng)地延續(xù)維持不變,無論運(yùn)動是快是慢抑或停止?！保?4）也只在慣性系中才成立。在研究物體的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)問題時，慣性系總有著特殊的地位。可是，這個特殊地位的存在并不單單是人類抽象理性的功勞,并不是人類貪懶和間集化的一個報應(yīng)，慣性系的存在有其形而上的基礎(chǔ)： 自然 之美的呈現(xiàn)及人對自然之美呈現(xiàn)體認(rèn)的同一性。如果沒有了存在的時間均勻性與空間對稱性，我們選取的相對于地面作勻速直線運(yùn)動的參考系對研究動力學(xué)問題而言也就將成為一個畸形的怪胎。慣性系不僅在 計算 上向人類提供了聯(lián)系物體的相互作用與相對運(yùn)動的便利方式，其更根本的是它使人與存在的關(guān)系成為審美性的。慣性定律給我們的啟示是：存在是美的。而慣性系則是自然對人的一個饋贈。也因而，我們應(yīng)當(dāng)從審美的視角來看待慣性，而不應(yīng)當(dāng)將它看成一個惡魔或一件便宜貨。

所有的老師都要求學(xué)生不要把慣性與慣性定律混為一談，可是當(dāng)我們的老師用動力學(xué)的觀點(diǎn)來看待慣性——也就是說，把慣性與牛頓第二定律混為一談的時候，對學(xué)生的這一期望是合適的嗎？其實(shí)這是一個誤區(qū)：當(dāng)教完一些物理學(xué)的基本概念與規(guī)律以后，就要求學(xué)生用它們解釋自然現(xiàn)象。事實(shí)上，物理學(xué)中有些基本概念與規(guī)律不是要求我們?nèi)ソ忉屪匀滑F(xiàn)象，它沒有這個功能，它只是告訴我們要去感受些什么，它提供給我們的不是一種推理的方式，而是一個判斷的原則 ：它促成我們的判斷更接近于自然之美的呈現(xiàn)。

三、慣性定律與牛頓第二定律的關(guān)系

當(dāng)物體所受的合外力為零時，從牛頓第二定律可知物體處于靜止?fàn)顟B(tài)或作勻速直線運(yùn)動?？墒牵瑑H依據(jù)這一點(diǎn)卻不能認(rèn)為牛頓第一定律是牛頓第二定律的一個特例。因為這兩個定律的論述對象其實(shí)是不一樣的。牛頓第二定律的 研究 對象是一個物體，而牛頓第一定律論述的是整個存在的性質(zhì)。慣性——這個任何物體均具有的性質(zhì)其實(shí)不是我們的個別研究對象所具有的性質(zhì)，因為這個“任何物體”，包括了天地間的萬物，而萬物的總稱（15）即是宇宙：“四方上下曰宇，古往今來曰宙”.也即任何個別的物體都不可能無條件地具有慣性：慣性是存在的特性，是存在著的時空的特性，是宇宙的特性。

其次，牛頓第二定律是關(guān)于個別物體因果性的 規(guī)律 ，而牛頓第一定律卻與個別物體的因果性無關(guān)，它是存在之狀態(tài)的表述，它的表述是與具體的特定的時間無關(guān)的、瞬時性的。正是這種非時間性（16）構(gòu)成了牛頓力學(xué)的本質(zhì)特征。也正是牛頓第一定律所成立的時間均勻性與空間對稱性構(gòu)成了慣性系的特殊地位，從而使我們可以在牛頓第二定律的意義上來研究物體的動力學(xué)關(guān)系。因為毫無疑問，物體的運(yùn)動性質(zhì)和規(guī)律與采用怎樣的空間和時間來度量有著密切的關(guān)系（17）。由此可見，不僅牛頓第一定律不是牛頓第二定律和特例，恰恰相反，現(xiàn)行的動力學(xué)規(guī)律正是牛頓第一定律所揭示的存在之性在具體的個體事物上的展現(xiàn)。慣性定律比牛頓第二定律具有更強(qiáng)的基礎(chǔ)性。也就是說，正是慣性現(xiàn)象，構(gòu)成了牛頓動力學(xué)所以成立的操作平臺。由于物體在不受外力作用下保持其速度不變，因而物體運(yùn)動速度的變化才跟物體的受力相關(guān)。

最后，牛頓把慣性定律放在三個運(yùn)動定律的首位也是與其對 自然 的信仰因素有關(guān)的。因為在文藝復(fù)興之前的絕大部分思想家繼承了亞里士多德關(guān)于物體運(yùn)動內(nèi)在決定論的觀點(diǎn)。但在牛頓看來，基本的物質(zhì)粒子完全是惰性的，沒有任何自發(fā)的運(yùn)動，而電、磁、光這些‘非物質(zhì)’的力量則成為神在自然中的行動的載體（18）。也就是說，慣性定律內(nèi)隱含著牛頓否定亞里士多德運(yùn)動觀的內(nèi)在目的論從而建立新力學(xué)的形而上基礎(chǔ)。

四、慣性與具體物體的質(zhì)量無關(guān)

從上面的討論可以看出：“質(zhì)量是物體慣性大小的量度”這個論題，在幾個角度去看都是錯誤的。第一，質(zhì)量不是物體慣性大小的量度。個別研究對象的質(zhì)量與其所揭示的慣性毫無關(guān)聯(lián)。因為這兩者從數(shù)量上來看是一對無窮大的關(guān)系，從 內(nèi)容 上來看是個體與存在的關(guān)系，在它們之間，人類的理性不可能找到邏輯上的因果鏈。第二，“物體（的）慣性”這樣的說法缺乏依據(jù)，因為慣性不是物體的性質(zhì)。物體只是作為慣性的表現(xiàn)者而存在的。第三，“慣性（的）大小”這樣的說法也缺乏依據(jù)，因為慣性沒有大小，慣性只是存在的一種表達(dá)方式，一種特定狀態(tài)的顯現(xiàn)。第四，既然慣性并無大小，我們也不可去進(jìn)行量度，事實(shí)上，任何一本教科書上也沒有指出慣性與質(zhì)量的函數(shù)關(guān)系，因為這一函數(shù)關(guān)系并不存在，它只是人們的一個虛假的邏輯推測，誰也不能證明質(zhì)量與慣性成正比或不成正比 ，更不能得出它們之間的比例系數(shù)，因為這些關(guān)系均是虛假的。因而，物 理學(xué) 界流傳的物體的慣性等于它的質(zhì)量（19）只是人們一個隨心所欲的錯誤言說。

由于物體質(zhì)量與慣性無關(guān)，所以，將牛頓第二定律中的質(zhì)量稱為慣性質(zhì)量就是不當(dāng)?shù)?，質(zhì)量的確對物體運(yùn)動狀態(tài)的改變有一種象力一樣的阻抗作用，質(zhì)量在改變物體運(yùn)動的狀態(tài)上而言似乎有一種“消解”、“抗拒”力的性質(zhì)。因而作者認(rèn)為可將現(xiàn)行的“慣性質(zhì)量”改稱為物體的“抗性質(zhì)量”。正如牛頓所說：“物體只有當(dāng)有其他力作用于它，或者要改變它的狀態(tài)時，才會產(chǎn)生這種力。這種力的作用既可以看做是抵抗力，也可以看做是推斥力。（20）”因為質(zhì)量與物體運(yùn)動狀態(tài)的變化快慢有關(guān)，它事實(shí)上具有動力學(xué)特征，當(dāng)一個物體的質(zhì)量大時，它對運(yùn)動狀態(tài)改變的阻抗能力就越大。

從邏輯上而言，我們只有將慣性從物質(zhì)的內(nèi)在因素中解除出來，才能完全地克服牛頓 時代 的機(jī)械論自然觀與牛頓第一運(yùn)動定律之間存在著的深刻矛盾。也就是說，這樣才能使牛頓第一定律恰如其分地建立在由文藝復(fù)興所形成的機(jī)械論而不是亞里士多德的目的論的形而上學(xué)基礎(chǔ)之上。

五、慣性定律的表述方式

牛頓第一定律是動力學(xué)定律的基礎(chǔ)，但它本身并不表征物體的某種動力學(xué)性質(zhì)，它是關(guān)于人類體認(rèn)自然之美、自然之和諧的陳述。據(jù)于上面的論述，對牛頓第一定律的陳述方式作以下的要求是并不過分的：反映時間的均勻性，空間的對稱性，及自然之美對人的呈現(xiàn)。可是，現(xiàn)行的許多教科書中對牛頓第一定律的陳述是很不一致的。當(dāng)然，這種不一致性用老眼光來看是無傷大雅的，但以今天的眼光來看，這種差異性就成為值得商討的了。

例如：一個物體，如果沒有受到其他物體的作用，它就保持自己的靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)（21）。這樣的陳述可能離慣性定律的本義較遠(yuǎn)，因為這一陳述的方式是在動力學(xué)的維度上來進(jìn)行的，陳述的對象是“一個物體”。這和牛頓第二定律的研究對象是一致的，這樣方式的陳述毫無疑問地可以把慣性定律認(rèn)為是牛頓第二定律的一個特例，因為“如果沒有”這幾個字就表達(dá)了陳述事件的某種特殊性。

另外一種常見的陳述方式是：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。（22）這樣一種表述比前一種完整多了，它幾乎就是牛頓的原義，但這里的“一切物體”應(yīng)當(dāng)換成“任何物體”（23）。因為在此論述中的“任何物體”實(shí)際上是對一切物體的否定，而“有外力”應(yīng)當(dāng)換成“其它物體的作用”，因為慣性定律是不涉及力的，操作意義上的力這個動力學(xué)的基本概念與慣性無關(guān)。

作者試著這樣來陳述慣性定律：存在著的宇宙有這樣一種性質(zhì)，它使任何物體在沒有受到其它物體作用的時候總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)?；蛟S，這樣的一種陳述方式是較明晰的陳述方式，它強(qiáng)調(diào)了慣性與慣性的表現(xiàn)者（個別研究對象）的嚴(yán)格區(qū)分，這個陳述的主語是性質(zhì)，這樣的陳述才可稱為關(guān)于“慣性”的定律。而我們也應(yīng)當(dāng)將慣性定義為：使物體保持靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)。

六、人們誤解慣性的來源

人們在慣性 問題 上所犯的錯誤認(rèn)識，既來源于 歷史 上人們對于和慣性概念相聯(lián)結(jié)的力與物體運(yùn)動關(guān)系的一貫表達(dá)方式，又來源于牛頓的表述與對于牛頓力學(xué)理解上的偏差。“事實(shí)上，牛頓似乎注定要被人誤解”。（24） 在牛頓所陳述的第一定律中：（25）“每個物體都保持其靜止、或勻速直線運(yùn)動的狀態(tài)，除非有外力作用于它迫使它改變那個狀態(tài)（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.）”。牛頓對“除非有外力作用于它迫使它”作出了對應(yīng)的理解，即認(rèn)為保持其靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)的物體是由內(nèi)部原因的，這個內(nèi)部原因即稱為慣性：“vis insita,或物質(zhì)固有的力，是一種起抵抗作用的力，它存在于每一個物體當(dāng)中，大小與該物體相當(dāng)，并使之保持其現(xiàn)有的狀態(tài)，或是靜止，或是勻速直線運(yùn)動”。（26）在牛頓時代，作出這樣的判斷是無可厚非的：“一個物體，由于其物質(zhì)的惰性（現(xiàn)稱慣性——譯者注），要改變它的靜止或運(yùn)動狀態(tài)就極其不易。因此這種固有的力可以用一個最確切的名稱‘慣性’或‘惰性力’來稱它?！保?7）因為在牛頓時代是無法判定慣性的本質(zhì)的。從牛頓的這一段話我們大致可以判斷出，他幾乎是在第二定律的意義上來領(lǐng)會慣性的，因而他才認(rèn)為（慣性）大小與該物體的運(yùn)動和質(zhì)量有關(guān)。

這一觀點(diǎn)可以追蹤到亞里士多德，它 影響 了包括牛頓在內(nèi)的一大批 科學(xué) 家的思維方式。在牛頓之前的開普勒也就慣性說過（29）：“如果天體不賦有類似于重量的慣性，要使它運(yùn)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”；“慣性，或?qū)\(yùn)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(qiáng)?！庇纱宋覀円部梢?，在開普勒那里已經(jīng)有慣性等同于力與質(zhì)量的觀點(diǎn)了。

從上面的論述可以看出，人們對于慣性的錯誤理解主要是由歷史原因所造成的，這個原因主要在于：人們普遍地認(rèn)為事物外在的狀態(tài)是有其內(nèi)在原因的。當(dāng)人們在物體之外找不到令人信服的可感覺的原因的時候，就只能把它歸因于物體的內(nèi)部。牛頓將慣性歸因于物體的內(nèi)部，把慣性看成阻礙物體改變其靜止或勻速直線運(yùn)動狀況的內(nèi)力，他假設(shè)的慣性非常接近布里丹的沖力——即：慣性作為一個內(nèi)力，在缺乏外部動力或阻力時，會引起無定限的直線運(yùn)動（30），另一方面，牛頓的慣性觀又來自于他對古希臘關(guān)于自然具有靈魂觀念的繼承，我們可以從他的著作中強(qiáng)烈地感到，他具有自然界的物體與人一樣會在受到作用時產(chǎn)生反作用這樣一種強(qiáng)烈的思想意向。顯然，在 現(xiàn)代 人看來，自然界的物體是與人具有本質(zhì)區(qū)別的。

在牛頓以后，歐拉則將牛頓關(guān)于vis insita 的比較隱晦的注釋作了同牛頓之前的有些科學(xué)家的直感一樣的有一定危險性的表白：“慣性是物體保持靜止或保持勻速直線運(yùn)動的能力．．．．．慣性的大小與質(zhì)量成正比例。”（31） 可是現(xiàn)在看來，這種危險性中是帶有錯誤的。從那以后到現(xiàn)在，人們對于慣性的理解基本上是庸俗性質(zhì)的。隨著現(xiàn)代物理學(xué)的 發(fā)展 ，特別是諾特爾之后，我們可以認(rèn)識到使物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)的原因并不在物體的內(nèi)部、也跟力無關(guān)，而是由于物體所處的時間均勻性與空間對稱性。也就是說，我們必須對牛頓意義上的慣性作出更開放性與發(fā)展性的理解，牛頓的vis insita（慣性是一個消極的本原，靠此本原物體維持它們的運(yùn)動或靜止，按照作用力的大小接受運(yùn)動，按照受到阻力的大小抵制運(yùn)動。（32））可以深入為兩個層面的結(jié)論：在沒有外力的作用下，一個物體，它能保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動是由于慣性，即時間均勻性與空間對稱性；在同樣大小的力的作用下，一個物體它的運(yùn)動狀態(tài)較難改變是由于它的動力學(xué)特性——抗性，即它的質(zhì)量較大。

經(jīng)典力學(xué)論文:淺談高中生如何學(xué)好高中物理之經(jīng)典力學(xué)

【摘 要】經(jīng)典力學(xué)，作為高中物理的重要章節(jié)之一，在考試中也占據(jù)著較高的分值。那么，如何讓高中學(xué)生學(xué)好物理的經(jīng)典力學(xué)是我們教師一直在關(guān)注的話題。就此，本文針對高中生如何更好地學(xué)習(xí)高中物理之經(jīng)典力學(xué)的學(xué)習(xí)方法提出相關(guān)建議。

【關(guān)鍵詞】高中物理 經(jīng)典力學(xué) 學(xué)習(xí)方法 建議

力學(xué)貫穿著整個高中物理的學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)好經(jīng)典力學(xué)的板塊，有利于他們今后在物理方面的深入學(xué)習(xí)，讓他們后續(xù)的物理學(xué)習(xí)變得更加容易。當(dāng)然，要學(xué)好某種知識講究的是方法，方法對了，自然離成功也就近了，下面就來分享我經(jīng)過多年教學(xué)而提煉出的針對高中生對經(jīng)典力學(xué)的學(xué)習(xí)方法及相關(guān)建議。

一、理解掌握概念，鞏固基礎(chǔ)知識

對于理科學(xué)習(xí)，如果僅僅靠死記硬背來學(xué)習(xí)理科知識的辦法是不可取的。尤其對于我們的物理學(xué)科，學(xué)生需要的是理解和記憶。只有這樣兩項結(jié)合，學(xué)生才能把基礎(chǔ)知識學(xué)的更扎實(shí)，才能得鞏固所學(xué)的知識，只有基礎(chǔ)知識掌握牢固了，才談得上更深入的學(xué)習(xí)。 就拿學(xué)生學(xué)習(xí)摩擦力來說，學(xué)生首先要掌握的是摩擦力的定義：“兩個互相接觸的物體，當(dāng)它們要發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生相對運(yùn)動時。就會在接觸面上產(chǎn)生一種阻礙相對運(yùn)動的力，這種力就叫做摩擦力”。其次通過定義需要總結(jié)出物體之間產(chǎn)生摩擦力必須要具備的條件：第一，物體間有相互接觸、擠壓；第二，接觸面必須要粗糙；第三，物體間有相對運(yùn)動趨勢或者是相對運(yùn)動。我們不需要學(xué)生硬性的去記住這些定義以及摩擦力產(chǎn)生的條件。但是，學(xué)生需要通過理解的方式來掌握我們所講解的知識點(diǎn)。再者，學(xué)生可以通過生活中的一些例子，去感受摩擦力的存在，領(lǐng)悟產(chǎn)生摩擦力所需要的條件。比如，人在走路時，鞋底與地面的摩擦，在我們前進(jìn)的時候也相對于地面發(fā)生了位移，也就是與地面發(fā)生了相對運(yùn)動，而且地面也是粗糙的。這樣的例子既貼近生活，而且也包含了學(xué)生需要掌握的知識。讓學(xué)生通過生活中的事例，理解知識，進(jìn)而掌握知識，是學(xué)生在物理知識的學(xué)習(xí)上應(yīng)該具備的能力。

二、掌握相關(guān)解決經(jīng)典力學(xué)試題的典型方法

（一）整體隔離法在物理上的有效運(yùn)用

所謂的整體法就是把多個物體看成一個整體的大物體。當(dāng)學(xué)生對物體進(jìn)行受力分析時，就不需要去考慮物體之間的內(nèi)力，就只需要考慮外力對于物體的作用效果。在使用整體法時，學(xué)生省去對內(nèi)力的求解。在一定程度上，讓學(xué)生在做題時計算量減小，而且更容易理解物體的運(yùn)動情況。當(dāng)然，學(xué)生在使用整體法的時候需要注意以下這些方面：首先要明確研究的系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)、過程；其次畫出系統(tǒng)的受力示意圖；最后根據(jù)相關(guān)的物理知識，進(jìn)行列方程并求解。

隔離法就是把需要我們分析的物體從一個體系中隔離出來。這時需要我們學(xué)生的想象，把我們隔離出來的物體想象成單個物體，通過對隔離出來的物體進(jìn)行分析。此時，不用考慮其他的物體對該物體的作用力。對于隔離法的使用，學(xué)生應(yīng)該注意的是：首先要明確隔離的對象，其次對隔離出的物理運(yùn)動狀態(tài)加以分析，再畫出物體的受力示意圖，最后在運(yùn)用相關(guān)的物理知識列出方程求解。

在物理經(jīng)典力學(xué)中，連接體處使用整體隔離方法 ，可以讓學(xué)生的計算量簡化，并且對于物體的受力分析更清楚。計算量的簡化在考試中能節(jié)約學(xué)生的時間，也讓結(jié)果的正確率也提高了很多。

（二）改變研究對象法在經(jīng)典力學(xué)上的運(yùn)用

在我們的物理試題中連接體的試題是非常常見的。這類題會讓學(xué)生求出其中一個物體在克服摩擦方面做了多少功。往往要分析清楚該物體的運(yùn)動情況對于高中學(xué)生來說并不容易，而且也很容易出錯，而與此物體連接的另一個物體的受力情況、運(yùn)動情況是很容易分析出來的。這時我們便可以通過改變研究對象來解決此題。就比如說，一個放在粗糙的木板的A物體經(jīng)過一根細(xì)線，再通過一定滑輪連接一豎直靜止的B物體（通過手捧住，保證物體最先處于靜止?fàn)顟B(tài)），當(dāng)松手后，B物體往下運(yùn)動的過程中，求物體A的內(nèi)能如何變化？對于該問題，當(dāng)我們只對A分析時，過程是比較復(fù)雜，如果我們更換研究對象。對于體系來說，B物體的機(jī)械能的減少也就等于A物體的內(nèi)能增加。對于這類題，當(dāng)我們改變研究對象，把復(fù)雜的運(yùn)動過程簡單化，讓我們的物理解題速度加快，正確率也會提高。

（三）模型法在高中物理之經(jīng)典力學(xué)上的運(yùn)用

所謂的模型法就是通過模型去揭示原型的本質(zhì)特征。在物理上通過模型法，去解決試題的運(yùn)用是相當(dāng)廣泛的。我們有理想化模型質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷，有想象模型電場線、磁感線……，總之模型法在我們物理上運(yùn)用是比較多的。在遇到的試題中，同樣有可以采取模型法去解答試題，比如我們?？嫉陌鍓K模型。學(xué)生可以通過老師講解板塊模型的基礎(chǔ)知識去應(yīng)對考試中改編版的板塊模型試題。

三、端正態(tài)度，學(xué)習(xí)物理

（一）端正態(tài)度學(xué)習(xí)物理的好處

有了前面介紹的對高中物理經(jīng)典力學(xué)的學(xué)習(xí)方法后，學(xué)生還應(yīng)當(dāng)作的就是端正學(xué)習(xí)態(tài)度。態(tài)度是決定做好一件事情的因素之一，有了好的學(xué)習(xí)物理的方法后，學(xué)生還要端正態(tài)度去對待物理的學(xué)習(xí)，這樣才會讓學(xué)生在物理學(xué)習(xí)方面取得更高的成就。

（二）課前預(yù)習(xí)，課中聽課，課后溫習(xí)

我們要求學(xué)生對所學(xué)知識提前進(jìn)行預(yù)習(xí)，是讓學(xué)生帶著目的聽課，學(xué)生不可能一節(jié)課都做到全神貫注，所以讓學(xué)生有目的地，可以提高聽課效率，課堂中我們要求學(xué)生是在他們困惑之處認(rèn)真聽，當(dāng)然，課后的溫習(xí)可以加深學(xué)生對課堂知識的印象，再者，在溫習(xí)時去發(fā)現(xiàn)上課沒明白的地方，通過問老師或者同學(xué)，可以把知識點(diǎn)弄明白。

（三）學(xué)會歸納總結(jié)

對所學(xué)過的知識進(jìn)行歸納、總結(jié)，再比較知識點(diǎn)之間的差異，是學(xué)生學(xué)習(xí)每一科都很實(shí)用的方法。對于我們物理的學(xué)習(xí)，學(xué)生在學(xué)完一個章節(jié)時，把所學(xué)的知識分類，通過對比找出各知識點(diǎn)間的差異。這樣不僅可以鍛煉學(xué)生的歸納能力，而且利于學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握。因為在物理的力學(xué)學(xué)習(xí)中，有些概念學(xué)生并不容易區(qū)分，如果他們自己通過去歸納，而找出其中的不同，這樣能幫助他們在易混淆的概念上區(qū)分清楚。

總之，對于高中學(xué)生學(xué)習(xí)物理經(jīng)典力學(xué)的板塊是有一定難度的，然而經(jīng)典力學(xué)卻伴隨著整個高中物理學(xué)習(xí)。只有學(xué)生采取正確的學(xué)習(xí)經(jīng)典力學(xué)的方法時，才能更好地學(xué)習(xí)力學(xué)部分。以上是我根據(jù)多年的教學(xué)而感悟出的學(xué)習(xí)高中物理經(jīng)典力學(xué)的方法。我還將繼續(xù)探尋如何讓學(xué)生更好地學(xué)懂經(jīng)典力學(xué)知識的方法，也希望其他物理老師能提出相關(guān)的建議，讓我們的學(xué)生更好地學(xué)習(xí)物理。

經(jīng)典力學(xué)論文:高中物理中關(guān)于經(jīng)典力學(xué)局限性的思考

摘 要： 在實(shí)際高中物理教學(xué)中，從高一《萬有引力與航天》這一章開始就遇到一些關(guān)于經(jīng)典力學(xué)局限性的問題，高三復(fù)習(xí)時也有此類問題。本文立足高中物理教學(xué)就經(jīng)典力學(xué)的局限性問題做了初步討論。

關(guān)鍵詞： 高中物理 經(jīng)典力學(xué) 局限性

經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動定律，隨著科學(xué)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，牛頓于1687年在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中發(fā)表了萬有引力定律，牛頓運(yùn)動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領(lǐng)域，包括在天體力學(xué)的研究中經(jīng)受實(shí)踐的檢驗，顯示出牛頓運(yùn)動定律的正確性和經(jīng)典力學(xué)的魅力。但是，再偉大的科學(xué)理論，也不會窮盡一切真理，經(jīng)典力學(xué)也有自己的局限性。那么經(jīng)典力學(xué)的局限性究竟在哪里？要搞清楚這個問題，我們首先了解一下宇宙。

一、宇宙

1.經(jīng)典的時空觀

在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中關(guān)于時間，牛頓寫道：絕對的、真實(shí)的和數(shù)學(xué)的時間，由其特性決定，自身均勻地流逝，與一切外在事物無關(guān)，又名延續(xù)；相對的、表觀的和通常的時間是可感知和外在的（不論是精確的或者是不均勻的）對運(yùn)動之延續(xù)的量度，它常被以代替真實(shí)時間，如一小時、一天、一月、一年。

關(guān)于空間，牛頓寫道：絕對空間，就其自身特性與一切外在事物無關(guān)，處處均勻，永不移動。相對空間是一些可以在絕對空間中運(yùn)動的結(jié)構(gòu)，或是絕對空間的量度，我們通過它與物體的相對位置感知它；它一般被當(dāng)做不可移動的空間。也就是說，時間自宇宙中均勻的流逝著，而空間就好像一個容器，兩者之間沒有聯(lián)系，也不與物質(zhì)運(yùn)動發(fā)生關(guān)系。

牛頓的時空觀與我們的經(jīng)驗是那樣吻合，以至于我們會情不自禁地認(rèn)為時間和空間的概念太淺顯了，而探索“時空究竟是什么”似乎成了一個多余而天真的問題。

然而，在1905年的時候，愛因斯坦提出了一種嶄新的時空觀念。他指出，在研究物體的高速運(yùn)動（速度接近真空中的光速）時，物體的長度即物體占有的空間，以及物理過程、化學(xué)過程、甚至還有生命過程的持續(xù)時間，都與它們的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)。這樣，時間和空間不再與物體及其運(yùn)動無關(guān)而獨(dú)立存在了，世界在世人面前翻開了新的一頁。

2.愛因斯坦的時空觀

（1）狹義相對論的時空觀

愛因斯坦的俠義相對論是建立在兩個基本假設(shè)基礎(chǔ)之上的。一是相對性原理，即物體運(yùn)動狀態(tài)的改變與選擇任何一個參照系無關(guān)；二是光速不變原理，即對任何一個參照系而言，光速都是相同的。

從這兩個基本假設(shè)出發(fā)，愛因斯坦得出以下主要結(jié)論：（1）長度收縮，即運(yùn)動物體在運(yùn)動方向長度縮短；（2）時鐘變慢，即運(yùn)動著的時鐘要變慢；（3）光速極限，即任何物體的速度都不可能超過光速；（4）同時性是相對的，即在一個慣性系中同時發(fā)生的事情，在另一個慣性系中測量便不是同時發(fā)生的；（5）如果物質(zhì)運(yùn)動的速度比光速小得多，相對論力學(xué)就變?yōu)榕ｎD力學(xué)，因此相對論比牛頓力學(xué)具有更普遍的意義。

時間和空間的相對性和統(tǒng)一性，是狹義相對論的核心思想。狹義相對論從數(shù)學(xué)關(guān)系上精確地揭示了空間和時間的統(tǒng)一性，所謂孤立的空間和孤立的時間在自然界是不存在的。愛因斯坦的這一新的時空觀由他的大學(xué)數(shù)學(xué)老師閔可夫斯基（MinkowskiH，1864―1909）做了重大發(fā)展。他在通常的三個空間坐標(biāo)系以外，又引入了新的第四個坐標(biāo)，從此人們才弄清楚，原來自然界的每一真實(shí)事件，都只能在四維時空連續(xù)區(qū)才能作出全面描述。

（2）廣義相對論的時空觀

愛因斯坦對于1905年提出的相對論并不滿意，因為其中只涉及了相對做勻速運(yùn)動的參照系，而沒考慮到加速運(yùn)動，所以并不完備。這也是今天我們稱它為“狹義”相對論的原因。1915年，愛因斯坦進(jìn)而把相對性狀原理從勻速運(yùn)動推廣到加速運(yùn)動，完成了廣義相對論的表述。1916年，他寫成總結(jié)性論文《廣義相對論的基礎(chǔ)》，宣告了廣義相對論的誕生。

廣義相對論基礎(chǔ)的兩個基本原理：（1）廣義相對性原理；（2）等效原理。廣義相對論實(shí)際上是關(guān)于空間、時間與萬有引力關(guān)系的理論，它指出空間、時間不可能脫離物質(zhì)而獨(dú)立存在，空間、時間隨物質(zhì)分布和運(yùn)動速度的變化而變化，揭示了時空與物質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系。廣義相對論進(jìn)一步指出，由于物質(zhì)的存在，時間和空間會發(fā)生彎曲，萬有引力實(shí)際上是時空彎曲的表現(xiàn)。

對這兩種時空觀有一個基本的認(rèn)識后，我們再討論一下經(jīng)典力學(xué)適應(yīng)的領(lǐng)域。

二、慣性系和非慣性系

描寫物體的運(yùn)動，可以考慮研究問題的方便，而任意選擇參考系。一個乘客在加速的火車車廂里行走，描述他的運(yùn)動，可以用地面作參考系，也可以用車廂作參考系。但是，確定運(yùn)動和力關(guān)系的牛頓運(yùn)動定律，卻不是對任何參考系都成立。

我們生活在地球上，通常是相對地面參考系研究物體運(yùn)動的。伽利略的理想實(shí)驗及高中物理里做過的研究運(yùn)動和力關(guān)系的實(shí)驗，都是用地面作參考系的。在地面上所做的許多觀察和實(shí)驗表明，牛頓運(yùn)動定律對地面參考系是成立的。

那么，除了地面參考系外，牛頓運(yùn)動定律還對什么參考系成立呢？

1632年，伽利略發(fā)表了《關(guān)于兩種世界體系的對話》一書，他對于在船艙里觀察到的現(xiàn)象有一段生動的描述：“……船停著不動時，你留神觀察，小蟲都以等速向各方向飛行，魚向各個方向隨意游動，水滴滴進(jìn)下面的罐中；你把任何東西扔給你的朋友時，只要距離相等，向這一方向不比另一方向用更多的力。你雙腳齊跳，無論向哪個方向跳過的距離都相同。當(dāng)你仔細(xì)觀察這些事情之后，再使船以任何速度前進(jìn)，只要運(yùn)動是勻速的，也不忽左忽右的擺動，你將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象都沒有絲毫變化。你也無法從其中任何一個現(xiàn)象來確定，船是在運(yùn)動還是停著不動……”

伽利略的這段描述說明：在相對于地面做勻速直線運(yùn)動的船艙里進(jìn)行的力學(xué)實(shí)驗和觀測，與地面上的力學(xué)實(shí)驗和觀測，結(jié)果并沒有差異。這就是說，以相對于地面做勻速直線運(yùn)動的物體作為參考系，牛頓運(yùn)動定律也是成立的。

那么，在相對于地面做變速運(yùn)動的參考系中，牛頓運(yùn)動定律是否成立呢？

先設(shè)想有一輛做勻速直線運(yùn)動的車廂，在車廂的桌面上放一個小球。相對于車廂參考系來說，小球保持靜止，小球所受的合外力為零，符合牛頓運(yùn)動定律。現(xiàn)在設(shè)想車廂開始向右做加速運(yùn)動，在車廂里觀測，小球?qū)⑾蜃笞黾铀龠\(yùn)動，而小球并沒有受到其他物體的作用力，所受的合力仍為零。這說明：在相對于地面做變速運(yùn)動的車廂里，牛頓運(yùn)動定律不再成立。

在物理學(xué)中，把牛頓運(yùn)動定律成立的參考系，稱為慣性參考系，簡稱慣性系。牛頓運(yùn)動定律不成立的參考系，稱為非慣性系。研究地面上物體的運(yùn)動，地面參考系通常可認(rèn)為是慣性系，相對地面做勻速直線運(yùn)動的參考系，也是慣性系。在高中物理中，我們一般以慣性系作為參考系。

經(jīng)典力學(xué)在處理宏觀物體的低速運(yùn)動問題時（如上面提到的各種宏觀物體的運(yùn)動），是完全適用的。20世紀(jì)初，著名的物理學(xué)家愛因斯坦（1879―1955）提出了狹義相對論，改變了經(jīng)典力學(xué)的一些結(jié)論。在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是固定不變的，而相對論指出質(zhì)量要隨速度的增大而增大。即

m=■

式中m■是物體靜止時的質(zhì)量，m是物體速度為v時的質(zhì)量，c是真空中的光速。

按照上式計算，在低速運(yùn)動中，如地球以3×10■ m/s的速度繞太陽公轉(zhuǎn)時，質(zhì)量的增大十分微小，經(jīng)典力學(xué)完全適用。當(dāng)速度接近光速c時，如速度v=0.8c時，質(zhì)量約增大到原質(zhì)量的1.7倍。這時，經(jīng)典力學(xué)就不適用了。

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，物理學(xué)的研究深入微觀世界，發(fā)現(xiàn)電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性，而且具有波動性，它們的運(yùn)動規(guī)律不能用經(jīng)典力學(xué)說明。20世紀(jì)初期，建立了量子力學(xué)，它能正確地描述微觀粒子的正確性，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮重要作用。這就是說，經(jīng)典力學(xué)也不適用于微觀粒子。

綜上所述，我們可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典力學(xué)只適用于解決低速運(yùn)動問題，不能用來處理高速運(yùn)動問題；只適用于宏觀物體，一般不適用于微觀粒子。

經(jīng)典力學(xué)論文:對經(jīng)典力學(xué)和時空理論以及重力理論的思考

【摘要】梁氏（筆者）對經(jīng)典力學(xué)的思考發(fā)現(xiàn)其基本定律（公理）是牛頓――梁氏定律，對時空理論的思考發(fā)現(xiàn)其基本方程是梁氏變換，對重力理論的思考發(fā)現(xiàn)重力場場強(qiáng)的相對性和物體重力的相對性。

【關(guān)鍵詞】牛頓――梁氏定律；梁氏變換；牛頓――梁氏力學(xué)；梁氏相對論

1. 對經(jīng)典力學(xué)的思考經(jīng)典力學(xué)是實(shí)驗科學(xué)，其概念、方程、定理、定律、原理等等都直接來源于實(shí)驗（實(shí)驗可重復(fù)，實(shí)驗結(jié)果可觀測）。牛頓力學(xué)引入不可觀測（找不到）的慣性系和不可測量（不可作實(shí)驗檢驗）的慣性力是錯的，不是實(shí)驗科學(xué)的概念。經(jīng)典力學(xué)理論之公理只有一條，即牛頓――梁氏定律。經(jīng)典力學(xué)之基本方程（即數(shù)學(xué)基礎(chǔ)）是牛頓――梁氏定律數(shù)學(xué)表達(dá)式，經(jīng)典力學(xué)之基本定理是動量定理、動量矩定理和動能定理（這些定理的數(shù)學(xué)表達(dá)式均由基本方程導(dǎo)出），這樣的經(jīng)典力學(xué)稱為普適經(jīng)典力學(xué)或牛頓――梁氏力學(xué)。普適經(jīng)典力學(xué)適用于任何一個參照系，地面參照系S上的經(jīng)典力學(xué)稱為S上的普適經(jīng)典力學(xué)（其基本方程是牛頓――梁氏定律在S上的表達(dá)式F=ma ，此式被迄今物理學(xué)誤認(rèn)為是牛頓第二定律表達(dá)式〔1〕），相對于S勻速平動的參照系Sv上的經(jīng)典力學(xué)稱為Sv上的普適經(jīng)典力學(xué)（其基本方程是牛頓――梁氏定律在Sv上的表達(dá)式Fv=mav，相對于S變速運(yùn)動的參照系S`上的經(jīng)典力學(xué)稱為S`上的經(jīng)典力學(xué)（其基本方程是牛頓――梁氏定律在S`上的表達(dá)式 F`=ma`），天宮一號實(shí)驗室S*上的經(jīng)典力學(xué)稱為S*上的普適經(jīng)典力學(xué)（其基本方程是牛頓――梁氏定律在S*上的表達(dá)式 ΣFi=ma*）。若將F=ma ， F=mav ， F`=ma`和ΣFi=ma*統(tǒng)一表為F合=ma 合（即質(zhì)點(diǎn)所受合力等于質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量乘以質(zhì)點(diǎn)加速度），則牛頓――梁氏定律表達(dá)式就是F合=ma 合 。因此，迄今物理學(xué)將S上的經(jīng)典力學(xué)稱為牛頓力學(xué)成為歷史性錯誤。牛頓力學(xué)基本定律只有一條牛頓第二定律，因其基本方程 F=ma 與牛頓第一、三定律無關(guān)，故牛頓第一、三定律不是牛頓力學(xué)之公理。公理愈少的理論體系愈好。值得指出，經(jīng)典力學(xué)的應(yīng)用其實(shí)就是牛頓――梁氏定律的應(yīng)用， F=ma 的應(yīng)用被誤認(rèn)為是牛頓定律應(yīng)用，天空一號上的質(zhì)量測量實(shí)驗被誤為是牛頓定律實(shí)驗。還值得指出， Fv=mav證明伽利略相對性原理不成立（隨之狹義相對性原理不成立）；因為實(shí)驗方程 包含 ，所以 反映的物理定律不能稱為梁氏定律而只能稱為牛頓――梁氏定律，隨之經(jīng)典力學(xué)不能稱為梁氏力學(xué)只能稱為牛頓――梁氏力學(xué)（又稱普適經(jīng)典力學(xué)，其中普適之意不言自明）。到此可見，牛頓――梁氏力學(xué)才是名符其實(shí)的實(shí)驗的經(jīng)典力學(xué)。

2. 對時空理論的思考以時間空間變換式（簡稱時空變換〔2〕）為基本方程（即數(shù)學(xué)基礎(chǔ)）的理論稱為時間空間理論，簡稱時空理論。洛倫茲變換是兩坐標(biāo)系（參照系）相對勻速平動的時空變換，因此狹義相對論是勻速平動情況的時空理論（簡稱為勻速平動時空理論或勻速平動相對論）。兩坐標(biāo)系的普遍的相對運(yùn)動是變速運(yùn)動，于是梁氏發(fā)現(xiàn)了變速運(yùn)動情況的時空變換――梁氏變換〔2〕，以梁氏變換為基本方程的時空理論稱為變速運(yùn)動情況的時空理論，簡稱為梁氏時空理論或變速運(yùn)動相對論或梁氏相對論。洛倫茲變換和梁氏變換（以及超光速梁氏變換）均可由光速不變性原理推導(dǎo)出來，說明時空理論基本原理（公理）僅一條光速不變性原理。由時空變換導(dǎo)出鐘慢關(guān)系式、尺縮關(guān)系式、質(zhì)速關(guān)系式、質(zhì)能關(guān)系式、能量動量關(guān)系式等等有無實(shí)際意義（稱為物理意義）均由光速不變性原理有無物理意義來決定。因為物理學(xué)是實(shí)驗科學(xué)，物理學(xué)理論（例如牛頓力學(xué)）之公理（例如牛頓第二定律）必須是可作實(shí)驗檢驗的公理（不符合公理可以不證明之說），可見牛頓第二定律是實(shí)驗定律（誤認(rèn)為牛頓第二定律是理想定律而不是實(shí)驗定律成為歷史性錯誤）。無法證明光速不變性原理（找不到實(shí)驗證明，也找不到數(shù)學(xué)證明），因此時空理論肯定沒有物理意義，其數(shù)學(xué)意義是有的，數(shù)學(xué)理論之公理不用證明，例如歐氏幾何、非歐幾何只有數(shù)學(xué)意義而無物理意義。到此可見，時空理論（相對論）不是物理理論而本質(zhì)是數(shù)學(xué)理論。值得一提，廣義相對性原理不是物理學(xué)原理（無實(shí)驗依據(jù)），等效原理同樣不是物理學(xué)原理（愛因斯坦用理想實(shí)驗證明等效原理成立，其實(shí)是用“理想實(shí)驗”概念偷換物理學(xué)的“實(shí)驗”概念，愛因斯坦無道理將慣性力說成引力隨之將廣義相對論說成引力論）；另外，廣義相對論構(gòu)不成邏輯體系，不但不成物理學(xué)理論，而且不成數(shù)學(xué)理論。到此可見，愛因斯坦的地位比牛頓（世界最偉大的自然科學(xué)家）低一個層次是合理的，將愛因斯坦說成“人類宇宙中有頭等光輝的一顆巨星”不成立（評價過高）。另外，值得一提，懷疑一種理論，首先應(yīng)思考其公理，再到基本方程（憑空想出來的方程――例如愛因斯坦重力場方程，根本沒有意義），再到其他（例如概念，愛因斯坦用理想實(shí)驗或稱思想實(shí)驗證明的同時性的相對性完全沒有實(shí)際意義即物理意義）……。還值得一提，梁氏將梁氏相對論稱為普適相對論意在強(qiáng)調(diào)變速運(yùn)動的普遍性，將普適相對論稱為愛氏――梁氏相對論意在借愛因斯坦這位假神促使人們相信梁氏變換，其實(shí)狹義相對論就是愛氏相對論，普適相對論就是梁氏相對論。

3. 對重力理論的思考眾所周知，地球附近的物體的重力就是地球的吸引力或其一個分力，萬有引力定律是重力理論的唯一基本定律。我們將哥白尼日心說推廣為宇宙旋轉(zhuǎn)說：地球繞太陽轉(zhuǎn)，太陽系繞銀河系中心轉(zhuǎn)，銀河系中心繞銀河系集團(tuán)中心轉(zhuǎn)，……。于是，我們可以說明地球附近的物體其重力雖然是宇宙所有其他物體對它的吸引力之合力，但是太陽對它的吸引力恰好提供它跟隨地球公轉(zhuǎn)所需向心力、銀河系中心對它的吸引力恰好提供它跟隨銀河系中心繞銀河系集團(tuán)中心公轉(zhuǎn)所需向心力，……，因此它的重力只能由地球吸引力產(chǎn)生。同理，月球上物體的重力只能由月球吸引力產(chǎn)生。根據(jù)萬有引力定律和力的分解，很容易得到地球附近各種參照系上的重力場場強(qiáng)方程，這些方程表明上述參照系S、Sv和S`上的重力場場強(qiáng)（即重力加速度），分別為 g、gv和g'且gv≠ g'≠g （此不等式反映了重力加速度的相對性）。重力加速度的相對性導(dǎo)致物體重力的相對性：質(zhì)量為m的同一物體，對S、Sv、和 S`而言有不同的重力，分別為 mg、mgv 和mg'。迄今物理學(xué)沒有認(rèn)識到重力加速度的相對性和物體重力的相對性，誤認(rèn)為同一物體不管在S上還是在Sv上還是在S`上的重力都一樣。這一錯誤導(dǎo)致引入慣性力這種鬼力，于是有所謂質(zhì)點(diǎn)相對運(yùn)動動力學(xué)基本方程，于是誤導(dǎo)愛因斯坦將數(shù)學(xué)當(dāng)成物理學(xué)。

4. 梁氏相對論的應(yīng)用經(jīng)典力學(xué)的應(yīng)用，歸根結(jié)底是牛頓――梁氏定律的應(yīng)用（本文文獻(xiàn)〔1〕有幾個應(yīng)用之舉例，天空一號上的拋體運(yùn)動是運(yùn)動學(xué)）。梁氏相對論的應(yīng)用，歸根結(jié)底是梁氏變換的應(yīng)用。應(yīng)用梁氏變換可解釋雙生子佯謬、轉(zhuǎn)動參照系上鐘慢、 μ子實(shí)驗、1971年原子鐘環(huán)球飛行實(shí)驗、光譜線紅移和本文文獻(xiàn)〔1〕中設(shè)想王亞平帶原子鐘環(huán)球飛行實(shí)驗，都證明動鐘變慢；應(yīng)用梁氏變換可解釋邁――莫實(shí)驗、水星近日點(diǎn)運(yùn)動、火車進(jìn)入隧道的爭論、轉(zhuǎn)動參照系上尺長，轉(zhuǎn)盤圓周率大于π ，都證明靜尺縮短。文獻(xiàn)〔2〕應(yīng)用梁氏變換給出了雙生子佯謬、 μ子實(shí)驗、1971年原子鐘環(huán)球飛行實(shí)驗、水星近日點(diǎn)運(yùn)動、光譜線紅移、邁――莫實(shí)驗、火車進(jìn)入隧道的爭論、光線彎曲和平面彎曲的數(shù)學(xué)解釋，顯示了梁氏相對論是比狹義相對論更普遍和更好的相對論。

5. 結(jié)論

（1）牛頓――梁氏定律是經(jīng)典力學(xué)唯一基本定律，它導(dǎo)致了牛頓力學(xué)的修正，隨之要改寫經(jīng)典物理學(xué)史。

（2）梁氏變換是最普遍的時空變換，它導(dǎo)致了愛因斯坦相對論的修正，隨之要改寫近代物理學(xué)史。

6. 后語梁氏希望世界物理學(xué)家以本文及本文文獻(xiàn)〔1〕〔2〕來思考牛頓――梁氏定律和梁氏變換，公開發(fā)表評論，歡迎推倒它從而制止來自中國大陸（廣西桂平市）的物理學(xué)大地震。

經(jīng)典力學(xué)論文:淺談對牛頓經(jīng)典力學(xué)的認(rèn)識

【摘要】牛頓是物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家，他在科學(xué)上的貢獻(xiàn)是非常巨大的，寫成了偉大著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書。

【關(guān)鍵詞】三大運(yùn)動定律 萬有引力

牛頓（1643～1727）是英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家，經(jīng)典物理學(xué)的創(chuàng)始人。幼年時代就喜歡制作機(jī)械玩具。1665年發(fā)現(xiàn)二項式定理。 1667年他進(jìn)入三一學(xué)院當(dāng)研究生，次年獲碩士學(xué)位。 1689年和1701年，牛頓兩次以劍橋大學(xué)代表的身份被選入議會。 1703年起擔(dān)任英國皇家學(xué)會會長。1727年3月20日逝世于倫敦。

牛頓在科學(xué)上的貢獻(xiàn)是非常巨大的。1686年底，牛頓寫成《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書。 這部科學(xué)史上偉大的著作在1687年出版。牛頓在這部書中，從力學(xué)的基本概念（質(zhì)量、動量、慣性、力）和基本定律（運(yùn)動三定律）出發(fā)，運(yùn)用他所發(fā)明的微積分這一數(shù)學(xué)工具，不但從數(shù)學(xué)上論證了萬有引力定律，而且把經(jīng)典力學(xué)確立為完整而嚴(yán)密的體系，把天體力學(xué)和地面上的物體力學(xué)統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上第一次大的綜合。

在當(dāng)今人類繼續(xù)享受牛頓經(jīng)典力學(xué)給我們帶來的科技與文明成果的同時，我們也有必要追尋三大定律所包含的物理規(guī)律之深刻的本質(zhì)意義。本文就牛頓在經(jīng)典力學(xué)方面的杰出貢獻(xiàn)簡要談?wù)勛约旱恼J(rèn)識和理解。

一、牛頓第一運(yùn)動定律

300多年前，伽利略認(rèn)識到：運(yùn)動物體受到的阻力越小，它的運(yùn)動速度減小得就越慢，他運(yùn)動的時間就越長。他還進(jìn)一步推理得出，在理想情況下，如果水平表面絕對光滑，它的速度將不會減慢，這時物體將以恒定不變的速度永遠(yuǎn)運(yùn)動下去。

1675年的著作《解釋光屬性的解說》中，牛頓假定了以太的存在，認(rèn)為粒子間力的傳遞是透過以太進(jìn)行的。）并把以太作為絕對理想的參考系的前提下產(chǎn)生的，牛頓曾經(jīng)說過：“我是站在巨人的肩膀上才成功的?！边@句話就是針對伽利略的。所以牛頓概括了前人的研究結(jié)果，總結(jié)出了著名的牛頓第一定律。

一切物體在沒有受力的作用時，總保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。這就是牛頓第一定律。

物體都有維持靜止和作勻速直線運(yùn)動的趨勢，沒有外力，它的運(yùn)動狀態(tài)是不會改變的。物體的保持原有運(yùn)動狀態(tài)不變的性質(zhì)稱為慣性 ，慣性的大小由質(zhì)量量度。所以牛頓第一定律也稱為慣性定律 。

需要我們注意的是：

1.慣性運(yùn)動是理論上的、概論性的物理現(xiàn)象，在宇宙中，不存在純理論上的慣性運(yùn)動，牛頓第一定律是通過分析事實(shí)，再進(jìn)一步概括、推理得出的。我們 不可能用實(shí)驗來直接驗證這一定律。牛頓動力學(xué)基本定律是建立在絕對運(yùn)動的基礎(chǔ)上， 但是，宇宙中的任何物體都是運(yùn)動的，根本不存在絕對靜止的空間，自然也找不到絕對靜止的慣性坐標(biāo)系。

然而，從定律得出的一切推論，都經(jīng)受住了實(shí)踐的檢驗，牛頓第一定律已成為大家公認(rèn)的力學(xué)基本定律之一。

2.慣性系的必然條件，是它相對于另一個系統(tǒng)，特別是一個更大的系統(tǒng)而表現(xiàn)為勻速直線運(yùn)動或靜止的狀態(tài)。判定地表或地球是否是慣性系統(tǒng)，顯然必須站在太空的角度。牛頓第一定律并不是在所有的參照系里都成立，實(shí)際上它只在慣性參照系里才成立。（地球是慣性系嗎？）因此常常把牛頓第一定律是否成立，作為一個參照系是否是慣性參照系的判據(jù)。

二、牛頓第二運(yùn)動定律（慣性定律）

物體在受到合外力的作用時會產(chǎn)生加速度，加速度的方向和合外力的方向相同，加速度的大小正比于合外力的大小與物體的慣性質(zhì)量成反比。

如果用m表示質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，F(xiàn)和a分別表示作用于質(zhì)點(diǎn)上的力和質(zhì)點(diǎn)的加速度，我們只要選取適當(dāng)?shù)膯挝唬瑒t第二定律可表示為：F合=ma

定律給出了質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的加速度與其所受力之間的瞬時關(guān)系，說明作用力并不直接決定質(zhì)點(diǎn)的速度，力對于質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的影響是通過加速度表現(xiàn)出來的，而速度的方向可完全不同于作用力的方向。

同時，這個定律說明質(zhì)點(diǎn)的加速度不僅取決于作用力，而且與質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量有關(guān)。若使不同的質(zhì)點(diǎn)獲得同樣的加速度，質(zhì)量較大的質(zhì)點(diǎn)則需要較大的力，這說明較大的質(zhì)量具有較大的慣性。由此可知，質(zhì)量是質(zhì)點(diǎn)慣性的度量。由于平動物體可以看作質(zhì)點(diǎn)，所以質(zhì)量也是平動物體慣性的度量。牛頓在萬有引力定律中引入了引力質(zhì)量以顯示物體產(chǎn)生和接受引力的強(qiáng)弱，他定義的慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量是等價的。

同樣，在應(yīng)用牛頓第二定律時需要我們注意的是：

（1）F=ma是一個矢量方程，應(yīng)用時應(yīng)規(guī)定正方向。

（2）牛頓第二定律是力的瞬時作用規(guī)律。

（3）根據(jù)力的獨(dú)立作用原理，用牛頓第二定律處理物體在一個平面內(nèi)運(yùn)動的問題時，可將物體所受各力正交分解，在兩個互相垂直的方向上分別應(yīng)用牛頓第二定律的分量形式：Fx=max，F(xiàn)y=may。

三、牛頓第三運(yùn)動定律

兩個物體之間的作用力和反作用力，在同一條直線上，大小相等，方向相反。

表達(dá)式： F1=-F2

說明：牛頓第三定律中力的特點(diǎn)，在于揭示的是內(nèi)力的作用規(guī)律，是牛頓第一定律和牛頓第二定律的內(nèi)部作用機(jī)制。要改變一個物體的運(yùn)動狀態(tài)，必須有其他物體和它相互作用。物體之間的相互作用是通過力體現(xiàn)的。并且指出力的作用是相互的，有作用必有反作用力。

在應(yīng)用時需要注意的是：

1.作用力和反作用力成對出現(xiàn)，同時產(chǎn)生、同時消失。

2.這一對力是作用在不同物體上，不可能抵消。

3.作用力和反作用力是同一性質(zhì)的力。

4.相互作用力區(qū)別于平衡力 。

5.牛頓第三定律是動量守恒定律在經(jīng)典力學(xué)中的表現(xiàn)形式.牛頓第三定律有兩個前提條件，即“直接性”和“瞬時性”?！爸苯有浴笔侵竷晌矬w之間由于接觸（即：兩物體之間的距離可忽略）而產(chǎn)生的相互作用；“瞬時性”是指相互作用的兩物體在某一時刻分別受到對方施加的力。

四、萬有引力定律

在牛頓以前，天文學(xué)家一直無法圓滿地解釋一個問題：為什么行星要按照一定的規(guī)律圍繞太陽運(yùn)行？在牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力之前，已經(jīng)有許多科學(xué)家嚴(yán)肅地考慮過這個問題，比如開普勒就認(rèn)識到，要維持行星沿橢圓軌道運(yùn)動必定有一種力在起作用，這種力像磁石吸鐵一樣。1659年，惠更斯從研究擺的運(yùn)動中發(fā)現(xiàn)，保持物體沿圓周軌道運(yùn)動需要一種向心力。

1673年，惠更斯推導(dǎo)出向心力定律；1679年，胡克和哈雷從向心力定律和開普勒第三定律，推導(dǎo)出維持行星運(yùn)動的萬有引力和距離的平方成反比。

牛頓自己回憶，1666年前后，他在老家居住的時候已經(jīng)考慮過萬有引力的問題。最有名的一個說法是：在假期里，他常常在花園里小坐片刻。有一次，像以往屢次發(fā)生的那樣，一個蘋果從樹上掉了下來……

1679年，胡克曾經(jīng)寫信問牛頓，能不能根據(jù)向心力定律和引力同距離的平方成反比的定律，來證明行星沿橢圓軌道運(yùn)動，但是他不擅長數(shù)學(xué)計算 。牛頓沒有回答這個問題。牛頓高明的地方就在于他解決了胡克等人沒有能夠解決的數(shù)學(xué)論證問題。1685年，哈雷登門拜訪牛頓時，牛頓已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律：兩個物體之間有引力，引力和距離的平方成反比，和兩個物體質(zhì)量的乘積成正比。

當(dāng)時已經(jīng)有了地球半徑、日地距離等精確的數(shù)據(jù)可以供計算使用。牛頓向哈雷證明地球的引力是使月亮圍繞地球運(yùn)動的向心力，也證明了在太陽引力作用下，行星運(yùn)動符合開普勒運(yùn)動三定律。

牛頓在臨終前對自己的生活道路是這樣總結(jié)的：“我不知道在別人看來，我是什么樣的人；但在我自己看來，我不過就像是一個在海濱玩耍的小孩，為不時發(fā)現(xiàn)比尋常更為光滑的一塊卵石或比尋常更為美麗的一片貝殼而沾沾自喜，而對于展現(xiàn)在我面前的浩瀚的真理的海洋，卻全然沒有發(fā)現(xiàn)?！?這當(dāng)然是牛頓的謙遜。

1727年3月20日，偉大的艾薩克？牛頓逝世。同其他很多杰出的英國人一樣，他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。他的墓碑上鐫刻著：

讓人們歡呼這樣一位多么偉大的人類，榮耀曾經(jīng)在世界上存在。

經(jīng)典力學(xué)論文:對經(jīng)典力學(xué)和時空理論以及重力理論的思考

【摘要】梁氏（筆者）對經(jīng)典力學(xué)的思考發(fā)現(xiàn)其基本定律（公理）是牛頓——梁氏定律，對時空理論的思考發(fā)現(xiàn)其基本方程是梁氏變換，對重力理論的思考發(fā)現(xiàn)重力場場強(qiáng)的相對性和物體重力的相對性。

【關(guān)鍵詞】牛頓——梁氏定律；梁氏變換；牛頓——梁氏力學(xué)；梁氏相對論

1. 對經(jīng)典力學(xué)的思考

經(jīng)典力學(xué)是實(shí)驗科學(xué)，其概念、方程、定理、定律、原理等等都直接來源于實(shí)驗（實(shí)驗可重復(fù)，實(shí)驗結(jié)果可觀測）。牛頓力學(xué)引入不可觀測（找不到）的慣性系和不可測量（不可作實(shí)驗檢驗）的慣性力是錯的，不是實(shí)驗科學(xué)的概念。經(jīng)典力學(xué)理論之公理只有一條，即牛頓——梁氏定律。經(jīng)典力學(xué)之基本方程（即數(shù)學(xué)基礎(chǔ)）是牛頓——梁氏定律數(shù)學(xué)表達(dá)式，經(jīng)典力學(xué)之基本定理是動量定理、動量矩定理和動能定理（這些定理的數(shù)學(xué)表達(dá)式均由基本方程導(dǎo)出），這樣的經(jīng)典力學(xué)稱為普適經(jīng)典力學(xué)或牛頓——梁氏力學(xué)。普適經(jīng)典力學(xué)適用于任何一個參照系，地面參照系S上的經(jīng)典力學(xué)稱為S上的普適經(jīng)典力學(xué)（其基本方程是牛頓——梁氏定律在S上的表達(dá)式F=ma ，此式被迄今物理學(xué)誤認(rèn)為是牛頓第二定律表達(dá)式〔1〕），相對于S勻速平動的參照系Sv上的經(jīng)典力學(xué)稱為Sv上的普適經(jīng)典力學(xué)（其基本方程是牛頓——梁氏定律在Sv上的表達(dá)式Fv=mav，相對于S變速運(yùn)動的參照系S`上的經(jīng)典力學(xué)稱為S`上的經(jīng)典力學(xué)（其基本方程是牛頓——梁氏定律在S`上的表達(dá)式 F`=ma`），天宮一號實(shí)驗室S*上的經(jīng)典力學(xué)稱為S*上的普適經(jīng)典力學(xué)（其基本方程是牛頓——梁氏定律在S*上的表達(dá)式 ΣFi=ma*）。若將F=ma ， F=mav ， F`=ma`和ΣFi=ma*統(tǒng)一表為F合=ma 合（即質(zhì)點(diǎn)所受合力等于質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量乘以質(zhì)點(diǎn)加速度），則牛頓——梁氏定律表達(dá)式就是F合=ma 合 。因此，迄今物理學(xué)將S上的經(jīng)典力學(xué)稱為牛頓力學(xué)成為歷史性錯誤。牛頓力學(xué)基本定律只有一條牛頓第二定律，因其基本方程 F=ma 與牛頓第一、三定律無關(guān)，故牛頓第一、三定律不是牛頓力學(xué)之公理。公理愈少的理論體系愈好。值得指出，經(jīng)典力學(xué)的應(yīng)用其實(shí)就是牛頓——梁氏定律的應(yīng)用， F=ma 的應(yīng)用被誤認(rèn)為是牛頓定律應(yīng)用，天空一號上的質(zhì)量測量實(shí)驗被誤為是牛頓定律實(shí)驗。還值得指出， Fv=mav證明伽利略相對性原理不成立（隨之狹義相對性原理不成立）；因為實(shí)驗方程 包含 ，所以 反映的物理定律不能稱為梁氏定律而只能稱為牛頓——梁氏定律，隨之經(jīng)典力學(xué)不能稱為梁氏力學(xué)只能稱為牛頓——梁氏力學(xué)（又稱普適經(jīng)典力學(xué)，其中普適之意不言自明）。到此可見，牛頓——梁氏力學(xué)才是名符其實(shí)的實(shí)驗的經(jīng)典力學(xué)。

2. 對時空理論的思考

以時間空間變換式（簡稱時空變換〔2〕）為基本方程（即數(shù)學(xué)基礎(chǔ)）的理論稱為時間空間理論，簡稱時空理論。洛倫茲變換是兩坐標(biāo)系（參照系）相對勻速平動的時空變換，因此狹義相對論是勻速平動情況的時空理論（簡稱為勻速平動時空理論或勻速平動相對論）。兩坐標(biāo)系的普遍的相對運(yùn)動是變速運(yùn)動，于是梁氏發(fā)現(xiàn)了變速運(yùn)動情況的時空變換——梁氏變換〔2〕，以梁氏變換為基本方程的時空理論稱為變速運(yùn)動情況的時空理論，簡稱為梁氏時空理論或變速運(yùn)動相對論或梁氏相對論。洛倫茲變換和梁氏變換（以及超光速梁氏變換）均可由光速不變性原理推導(dǎo)出來，說明時空理論基本原理（公理）僅一條光速不變性原理。由時空變換導(dǎo)出鐘慢關(guān)系式、尺縮關(guān)系式、質(zhì)速關(guān)系式、質(zhì)能關(guān)系式、能量動量關(guān)系式等等有無實(shí)際意義（稱為物理意義）均由光速不變性原理有無物理意義來決定。因為物理學(xué)是實(shí)驗科學(xué)，物理學(xué)理論（例如牛頓力學(xué)）之公理（例如牛頓第二定律）必須是可作實(shí)驗檢驗的公理（不符合公理可以不證明之說），可見牛頓第二定律是實(shí)驗定律（誤認(rèn)為牛頓第二定律是理想定律而不是實(shí)驗定律成為歷史性錯誤）。無法證明光速不變性原理（找不到實(shí)驗證明，也找不到數(shù)學(xué)證明），因此時空理論肯定沒有物理意義，其數(shù)學(xué)意義是有的，數(shù)學(xué)理論之公理不用證明，例如歐氏幾何、非歐幾何只有數(shù)學(xué)意義而無物理意義。到此可見，時空理論（相對論）不是物理理論而本質(zhì)是數(shù)學(xué)理論。值得一提，廣義相對性原理不是物理學(xué)原理（無實(shí)驗依據(jù)），等效原理同樣不是物理學(xué)原理（愛因斯坦用理想實(shí)驗證明等效原理成立，其實(shí)是用“理想實(shí)驗”概念偷換物理學(xué)的“實(shí)驗”概念，愛因斯坦無道理將慣性力說成引力隨之將廣義相對論說成引力論）；另外，廣義相對論構(gòu)不成邏輯體系，不但不成物理學(xué)理論，而且不成數(shù)學(xué)理論。到此可見，愛因斯坦的地位比牛頓（世界最偉大的自然科學(xué)家）低一個層次是合理的，將愛因斯坦說成“人類宇宙中有頭等光輝的一顆巨星”不成立（評價過高）。另外，值得一提，懷疑一種理論，首先應(yīng)思考其公理，再到基本方程（憑空想出來的方程——例如愛因斯坦重力場方程，根本沒有意義），再到其他（例如概念，愛因斯坦用理想實(shí)驗或稱思想實(shí)驗證明的同時性的相對性完全沒有實(shí)際意義即物理意義）……。還值得一提，梁氏將梁氏相對論稱為普適相對論意在強(qiáng)調(diào)變速運(yùn)動的普遍性，將普適相對論稱為愛氏——梁氏相對論意在借愛因斯坦這位假神促使人們相信梁氏變換，其實(shí)狹義相對論就是愛氏相對論，普適相對論就是梁氏相對論。

3. 對重力理論的思考

眾所周知，地球附近的物體的重力就是地球的吸引力或其一個分力，萬有引力定律是重力理論的唯一基本定律。我們將哥白尼日心說推廣為宇宙旋轉(zhuǎn)說：地球繞太陽轉(zhuǎn)，太陽系繞銀河系中心轉(zhuǎn)，銀河系中心繞銀河系集團(tuán)中心轉(zhuǎn)，……。于是，我們可以說明地球附近的物體其重力雖然是宇宙所有其他物體對它的吸引力之合力，但是太陽對它的吸引力恰好提供它跟隨地球公轉(zhuǎn)所需向心力、銀河系中心對它的吸引力恰好提供它跟隨銀河系中心繞銀河系集團(tuán)中心公轉(zhuǎn)所需向心力，……，因此它的重力只能由地球吸引力產(chǎn)生。同理，月球上物體的重力只能由月球吸引力產(chǎn)生。根據(jù)萬有引力定律和力的分解，很容易得到地球附近各種參照系上的重力場場強(qiáng)方程，這些方程表明上述參照系S、Sv和S`上的重力場場強(qiáng)（即重力加速度），分別為 g、gv和g'且gv≠ g'≠g （此不等式反映了重力加速度的相對性）。重力加速度的相對性導(dǎo)致物體重力的相對性：質(zhì)量為m的同一物體，對S、Sv、和 S`而言有不同的重力，分別為 mg、mgv 和mg'。迄今物理學(xué)沒有認(rèn)識到重力加速度的相對性和物體重力的相對性，誤認(rèn)為同一物體不管在S上還是在Sv上還是在S`上的重力都一樣。這一錯誤導(dǎo)致引入慣性力這種鬼力，于是有所謂質(zhì)點(diǎn)相對運(yùn)動動力學(xué)基本方程，于是誤導(dǎo)愛因斯坦將數(shù)學(xué)當(dāng)成物理學(xué)。

4. 梁氏相對論的應(yīng)用

經(jīng)典力學(xué)的應(yīng)用，歸根結(jié)底是牛頓——梁氏定律的應(yīng)用（本文文獻(xiàn)〔1〕有幾個應(yīng)用之舉例，天空一號上的拋體運(yùn)動是運(yùn)動學(xué)）。梁氏相對論的應(yīng)用，歸根結(jié)底是梁氏變換的應(yīng)用。應(yīng)用梁氏變換可解釋雙生子佯謬、轉(zhuǎn)動參照系上鐘慢、 μ子實(shí)驗、1971年原子鐘環(huán)球飛行實(shí)驗、光譜線紅移和本文文獻(xiàn)〔1〕中設(shè)想王亞平帶原子鐘環(huán)球飛行實(shí)驗，都證明動鐘變慢；應(yīng)用梁氏變換可解釋邁——莫實(shí)驗、水星近日點(diǎn)運(yùn)動、火車進(jìn)入隧道的爭論、轉(zhuǎn)動參照系上尺長，轉(zhuǎn)盤圓周率大于π ，都證明靜尺縮短。文獻(xiàn)〔2〕應(yīng)用梁氏變換給出了雙生子佯謬、 μ子實(shí)驗、1971年原子鐘環(huán)球飛行實(shí)驗、水星近日點(diǎn)運(yùn)動、光譜線紅移、邁——莫實(shí)驗、火車進(jìn)入隧道的爭論、光線彎曲和平面彎曲的數(shù)學(xué)解釋，顯示了梁氏相對論是比狹義相對論更普遍和更好的相對論。

5. 結(jié)論

（1）牛頓——梁氏定律是經(jīng)典力學(xué)唯一基本定律，它導(dǎo)致了牛頓力學(xué)的修正，隨之要改寫經(jīng)典物理學(xué)史。

（2）梁氏變換是最普遍的時空變換，它導(dǎo)致了愛因斯坦相對論的修正，隨之要改寫近代物理學(xué)史。

6. 后語

梁氏希望世界物理學(xué)家以本文及本文文獻(xiàn)〔1〕〔2〕來思考牛頓——梁氏定律和梁氏變換，公開發(fā)表評論，歡迎推倒它從而制止來自中國大陸（廣西桂平市）的物理學(xué)大地震。

經(jīng)典力學(xué)論文:經(jīng)典力學(xué)為何難以說明意識問題

摘 要 以經(jīng)典力學(xué)為理論基礎(chǔ)的二元論和唯物主義，在相反的立場上對意識的說明是心物關(guān)系問題日益復(fù)雜的重要原因之一。經(jīng)典力學(xué)作為傳統(tǒng)心物關(guān)系理論的固有范式，在說明意識的整體性等問題上存在困難。量子力學(xué)有可能為意識研究開辟一條新的研究路徑。

關(guān)鍵詞 心身二元論 經(jīng)典力學(xué) 觀察者 意識

意識涵蓋了大部分的心理現(xiàn)象，它既是我們體驗到的對心理狀態(tài)的復(fù)雜的內(nèi)省，又等同于“覺醒”的狀態(tài)，或者感知狀態(tài)。因此，在給意識下定義時就會出現(xiàn)困難，它所涉及的分支眾多，難以用一個單一的定義將意識所包含的方面全部囊括其中。意識的核心問題是“現(xiàn)象性”，理解意識的關(guān)鍵在于弄清楚現(xiàn)象性本身的本質(zhì)及其起源。在早期西方哲學(xué)歷史上，意識問題是以“心身問題”為標(biāo)志開始的，意識是“心靈”的一個特征。從最早時期開始，意識與死亡相關(guān)聯(lián)，人們希望并且相信，意識是與物質(zhì)性的身體相區(qū)別的東西。因此，對意識的研究首先要回溯到早期歷史上的心身問題。

自從笛卡爾提出“心身二元論”，賦予“心靈”以實(shí)體地位以來，對于心靈是否存在、怎樣存在、如果存在，心靈該如何與身體相互作用等問題的爭論延續(xù)至今。笛卡爾認(rèn)為，心靈與物質(zhì)是獨(dú)立的兩個實(shí)體，物質(zhì)具有廣延的屬性，卻不能思考，心靈能夠思考卻不占有空間。從對日常經(jīng)驗的內(nèi)在主義素樸描述出發(fā)來看，心靈與身體之間和諧地相互作用，促使人們能夠相信，心靈必然有其獨(dú)特的存在地位。為了說明兩者如何互動作用，笛卡爾提出“松果腺”這一概念。但是“松果腺”的提出，卻恰恰暴露出笛卡爾的心靈觀念存在的矛盾。

從內(nèi)在主義的角度看，心靈確實(shí)與物質(zhì)相互作用，意愿、欲望能夠促成行為的發(fā)生，導(dǎo)致行為對象的改變等。但是，由于心靈不具有廣延且不占有空間的屬性，又導(dǎo)致人們無法運(yùn)用在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)之上形成的認(rèn)知圖式，來理解和說明心靈的存在形式，心靈怎樣與物質(zhì)相互作用更成為了一個難題。如果承認(rèn)心靈的獨(dú)特實(shí)體地位，則有悖于經(jīng)典力學(xué)的科學(xué)原則，如果依照唯物主義的基本觀點(diǎn)，把心靈與物質(zhì)等同起來，用大腦內(nèi)部的物質(zhì)之間的相互作用來說明意識活動，則導(dǎo)致無法說明為什么存在主觀體驗和感受的問題，這顯然又違背了人類體驗的直覺。因此，無論是堅持二元論還是唯物主義一元論，心物互動問題都面臨著極大的理論困難，堅持內(nèi)在主義觀點(diǎn)，就必須說明心靈有別于物質(zhì)的本體論地位以及心身互動的作用機(jī)制；堅持唯物主義的觀點(diǎn)，就必須說明為什么人會有主觀體驗和感受。本文認(rèn)為，除了上述兩種對心物關(guān)系的說明之外，存在第三種對心物關(guān)系的思考，即對經(jīng)典力學(xué)原則在說明心靈問題上是否具有適用性的質(zhì)疑：經(jīng)典力學(xué)的原則是萬能的嗎？它是否能夠作為評判心靈是否存在以及怎樣存在的標(biāo)準(zhǔn)？心物關(guān)系問題難以有所進(jìn)展，是否因為我們用來評判心靈存在的標(biāo)準(zhǔn)出了問題？量子力學(xué)能否作為新的研究范式來推進(jìn)心靈的研究？

隨著人們認(rèn)知程度的提高，自然科學(xué)的發(fā)展，對心靈問題的討論更加如火如荼。古老神秘的“心靈”概念也逐漸以“意識”這一嶄新的形式出現(xiàn)在哲學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)、計算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的交叉研究視域中。本文將以“意識”這一概念來論述笛卡爾心物二元論中所提及的“心靈”。

“有一種古老的觀點(diǎn)：自然由兩部分組成，一部分包含感覺和思想，另一部分在運(yùn)動中包含有物質(zhì)對象。這個觀點(diǎn)在笛卡爾的時代復(fù)活，并成為經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)。”①1687年，牛頓出版了著名的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書，掀起了科學(xué)的革命。在這本書中，宇宙被描述成一個遵循嚴(yán)格規(guī)律的大機(jī)器，依照數(shù)學(xué)的精密性在空間中運(yùn)動。一切事物都可以被還原成遵循嚴(yán)格規(guī)律運(yùn)動的物質(zhì)實(shí)體，作為因果決定鏈條上的一環(huán)，按照既定的規(guī)律運(yùn)行。因此，經(jīng)典物理學(xué)的世界被冠以具有決定論和客觀性的特征。但是在涉及到微觀世界的對象時，經(jīng)典物理學(xué)的基本原則就失效了。

意識問題是當(dāng)代哲學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)、計算機(jī)科學(xué)等多個交叉學(xué)科進(jìn)行跨學(xué)科研究的熱點(diǎn)難題。眾多學(xué)科關(guān)注意識的原因在于，它是關(guān)乎人的本性根基和人與外部世界關(guān)系的根本性問題。不論是唯物主義立場，還是二元論立場來看待意識，都有不可回避的理論困難。

以上兩種立場在說明意識問題的過程中，會遭遇到困難的原因，除了意識問題本身的復(fù)雜性之外，另一個重要的原因是，唯物主義和二元論均把研究宏觀事物低速運(yùn)動規(guī)律的經(jīng)典力學(xué)，作為思考意識問題的理論基礎(chǔ)。二元論產(chǎn)生的部分原因是迫于經(jīng)典力學(xué)的還原論和客觀性壓力，人們無法調(diào)和與說明物質(zhì)活動和意識之間存在形式的不協(xié)調(diào)，但是卻又難以違背自己體驗的常識，放棄意識的主觀性特征。唯物主義則恰恰相反，它遵循經(jīng)典力學(xué)的客觀性、決定論、還原論等根本規(guī)律，把物質(zhì)放在優(yōu)先地位，試圖用經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律來同化或拒斥意識的主觀性特征。在一定程度上，二元論與唯物主義這兩種相對立的立場都是以經(jīng)典力學(xué)的原則為根本依據(jù)，朝著各自相反的方向建構(gòu)自己的理論，但是，二元論從理論內(nèi)部割裂了意識與物質(zhì)的關(guān)聯(lián)，而唯物主義又混淆了意識與物質(zhì)的差別。

以牛頓運(yùn)動定律為主要內(nèi)容的經(jīng)典力學(xué)在20世紀(jì)以前被稱為最美的物理學(xué)，它通過把“意識”排斥在研究范圍之外來實(shí)現(xiàn)其理論的完備性。它假定時空的絕對性和依據(jù)初始值可進(jìn)行精確預(yù)測等特征，為人類認(rèn)識自然、了解自身的本性描繪了一幅因果封閉、清晰可測的藍(lán)圖。世界上的任何物理系統(tǒng)都能夠被分解為各個組成元素，各個組成元素只能夠與彼此相鄰的元素發(fā)生相互作用，物理系統(tǒng)遵循著嚴(yán)格的物理因果封閉定律，根據(jù)一定的可觀測的物理量，能夠做出無限精確的預(yù)測。經(jīng)典力學(xué)的唯物主義世界觀已經(jīng)否定了意識是有別于物質(zhì)，具有獨(dú)立存在地位的實(shí)體。大腦是世界上最為精密且復(fù)雜的整體系統(tǒng)，它作為意識活動發(fā)生的場所已經(jīng)是毋庸置疑的科學(xué)事實(shí)。按照經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)，大腦與意識同樣應(yīng)該遵守經(jīng)典力學(xué)的根本原則，但顯然意識的諸多屬性以及對應(yīng)的神經(jīng)活動的規(guī)律都無法用經(jīng)典力學(xué)來說明。

神經(jīng)科學(xué)的研究成果已經(jīng)表明，意識活動的發(fā)生受到大腦整體活動的控制，它并不是固定發(fā)生在大腦的某一個區(qū)域。同樣，大腦的某一部分神經(jīng)通路也不是意識發(fā)生的場所，完整的意識的出現(xiàn)，需要調(diào)動大腦內(nèi)部不同腦區(qū)的神經(jīng)元進(jìn)行放電。不同的意識場景所對應(yīng)的神經(jīng)元活動的組合也不一樣。就目前的神經(jīng)研究成果而言，神經(jīng)科學(xué)只能夠?qū)σ庾R活動的說明進(jìn)行基于科學(xué)經(jīng)驗上的描述，而不能夠進(jìn)行充分的因果說明。經(jīng)典力學(xué)中的整體可以分解成部分的組合的原則，無法說明意識的高度統(tǒng)一性；相鄰部分的因果互動原則更加無法解釋不同腦區(qū)的神經(jīng)活動，怎樣能夠作為單一的意識活動的組成部分。發(fā)生在個體大腦中的意識轉(zhuǎn)瞬即逝，難以捕捉，甚至毫無規(guī)律可循。大腦內(nèi)部呈現(xiàn)的意識場景為什么具有統(tǒng)一整合性和動態(tài)的分化性，歸屬于不同腦區(qū)的神經(jīng)元為什么能同時放電而形成單一的意識場景，控制這些神經(jīng)元活動的機(jī)制是什么？這些問題，對于研究宏觀事物運(yùn)動規(guī)律的經(jīng)典力學(xué)而言存在困難。經(jīng)典力學(xué)中不需要涉及對微觀事物的化學(xué)過程的說明，而這一點(diǎn)對于大腦研究來說，則非常重要。

如果從大腦內(nèi)部和大腦外部兩個維度，來對意識進(jìn)行一種描述上的區(qū)分，從大腦外部，引入一個“觀察者”，那么對意識就可以做出兩種不同的描述。這兩種維度的描述之間的區(qū)別也表明，經(jīng)典力學(xué)難以說明意識。

按照經(jīng)典力學(xué)的原則，每個腦區(qū)的神經(jīng)元只能夠與它緊鄰的神經(jīng)元發(fā)生互動，并根據(jù)所處的大腦區(qū)域的定域性而非全局性來表征意識場景。對意識的內(nèi)在描述不是從外在的“觀察者”或者元素集合所體現(xiàn)出的整體功能性角度進(jìn)行描述，而是對這些獨(dú)立的神經(jīng)元描述的組合的描述?！案鶕?jù)經(jīng)典力學(xué)，對物理系統(tǒng)和它的動力學(xué)的狀態(tài)的描述，能夠在內(nèi)在的層次上表達(dá)出來。但是人們怎樣來理解經(jīng)驗的整體思想的發(fā)生呢？”②

外在描述是在引入一個外部“觀察者”之后而做出的描述，觀察者知道大腦內(nèi)部描述是由諸多元素所構(gòu)成，但是，他能夠從外在維度對內(nèi)部元素進(jìn)行整合，使內(nèi)部元素組合起來具有整體的表征屬性。同時，外部的觀察者能夠從整體的功能性角度出發(fā)來進(jìn)行整體表征，在觀察者的意識中形成的整體性描述，不會受到各個不同腦區(qū)神經(jīng)元活動的區(qū)域性限制?？傊?，這個外在的觀察者不僅具備“知道”大腦內(nèi)部是由多個元素組合的能力，還具備把這些元素集合成整體的能力。因此，在內(nèi)在描述層次上的獨(dú)立元素的集合，在外在層次上可以被稱為是一個單一的整體。

從功能的角度出發(fā)，大腦被看作是一個功能性的整體，但是在經(jīng)典力學(xué)的框架中，功能基本上不具備任何實(shí)際的意義，因為大腦的過程受到不同腦區(qū)神經(jīng)活動的控制，然而，大腦部分與部分之間的相互作用不可能實(shí)現(xiàn)大腦的整體性功能作用。從根本上來說，一個從外在層次所描述的功能性整體，所表現(xiàn)出來的整體性含義要比邏輯上獨(dú)立的要素的簡單集合要復(fù)雜得多，而這一點(diǎn)恰恰是與經(jīng)典力學(xué)的根本原則相悖。因此，意識的整體功能性概念在經(jīng)典力學(xué)框架中也無法得到合理的說明。

依據(jù)經(jīng)典力學(xué)的法則，整體可以被分解為獨(dú)立的局部要素的集合。“功能性”對于物理因果封閉定律而言是無效的，因而不具備任何存在的理由，唯一承認(rèn)它的理由就是方便我們從外在層次對它進(jìn)行直接的理解。

靈感與頓悟是經(jīng)常出現(xiàn)在人類思考過程中的真實(shí)存在的心理現(xiàn)象，在藝術(shù)和科學(xué)研究中表現(xiàn)尤為明顯。它們具有突發(fā)性、偶然性、豐富性、瞬息變化等特征，它們常常會受到當(dāng)下場景或意識內(nèi)容的刺激而產(chǎn)生，但是其產(chǎn)生的機(jī)制與結(jié)果卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人對當(dāng)下對意識的研究水平。按照經(jīng)典力學(xué)的可預(yù)測性原則，依據(jù)一定的可觀測的物理量，就能夠?qū)κ挛镒龀鼍_的預(yù)測，但是在靈感和頓悟這類具有突發(fā)性的心理現(xiàn)象上，經(jīng)典力學(xué)的根本原則顯然不適用。

根據(jù)經(jīng)典力學(xué)的根本原則來解決意識問題面臨諸多的理論困難，意識的高度整合性和高度的分化性、主觀體驗的整體性和動態(tài)多樣性、從外在的功能角度所描述的大腦的整體功能性特征、靈感和頓悟這類突發(fā)性的心理現(xiàn)象都無法從經(jīng)典力學(xué)理論中得到科學(xué)合理的說明。

斯塔普（Henry Stapp）認(rèn)為，對于經(jīng)典力學(xué)而言，意識和行為之間的緊密關(guān)系不可能從邏輯上推導(dǎo)出來，相反，這恰恰意味著經(jīng)典力學(xué)的不完整性。經(jīng)典力學(xué)不能夠蘊(yùn)含意識的現(xiàn)象性方面，除非意識是一種副現(xiàn)象。但是，如果意識是副現(xiàn)象，則顯然有悖了直覺。如果經(jīng)典力學(xué)控制自然的整個動態(tài)過程，那么作為人類大腦高度進(jìn)化發(fā)展結(jié)果的意識就是一個令人懷疑的神話。經(jīng)典力學(xué)的動態(tài)原則既不蘊(yùn)含現(xiàn)象實(shí)在的存在，也不能夠?qū)λ鼈冊鯓訌暮唵涡问竭M(jìn)化到高級階段提供一種自然的動態(tài)說明。在經(jīng)典力學(xué)的理論框架當(dāng)中，人類的體驗既沒有存在地位，它也無法對大腦的動態(tài)作用提供充分合理的自然說明，那么我們就應(yīng)該放棄用經(jīng)典力學(xué)的整體邏輯結(jié)構(gòu)來研究意識，并轉(zhuǎn)而尋求一種能讓我們的體驗充分發(fā)揮動態(tài)作用，且完全不同的邏輯結(jié)構(gòu)的模式，這一模式就是量子力學(xué)。

量子力學(xué)的誕生打破了人類對經(jīng)典力學(xué)關(guān)于世界的固有認(rèn)識，傳統(tǒng)的物質(zhì)觀念、物理封閉因果定律、決定論和連續(xù)性觀點(diǎn)都遭到了破壞。量子力學(xué)重新為人類描述了一個新奇的、感官不可知、反常識的世界。量子力學(xué)的理論框架內(nèi)，大腦被看作一個量子系統(tǒng)。

意識與大腦之間的緊密聯(lián)系已經(jīng)是一個不爭的科學(xué)事實(shí)，雖然經(jīng)典力學(xué)在說明意識問題上存在許多的理論困難，但是科學(xué)的發(fā)展趨勢表明，我們始終要在科學(xué)的框架內(nèi)來說明意識。因此，意識研究必須轉(zhuǎn)換一種新的研究范式。目前，最有希望將意識重新納入到物質(zhì)世界的科學(xué)理論只有量子力學(xué)?！榜T諾依曼、諾伯特維納和霍爾丹指出，自然的量子力學(xué)方面似乎是為了將意識重新納入我們現(xiàn)有的物質(zhì)概念而為意識量身定做?！雹?

經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué)的不同之處在于，量子力學(xué)引入了“觀察者”因素，測量結(jié)果不再是具有絕對的客觀性。尤其是在對意識進(jìn)行研究的過程中，“觀察者”本身也作為物理系統(tǒng)的一部分而參與和影響著對意識的測量結(jié)果。由于意識具有高度的分化性，各種心理事件瞬息萬變，每一次對意識的測量都會取得不同的結(jié)果，為了對意識現(xiàn)象做出完備的描述，每一次的測量結(jié)果彼此之間呈互補(bǔ)關(guān)系，這種互補(bǔ)性取消了在經(jīng)典力學(xué)框架內(nèi)應(yīng)該具有的嚴(yán)格因果律，意識呈現(xiàn)出非因果性的特征。

當(dāng)代著名的心靈哲學(xué)家查默斯也多次在其著作中談到意識可能與量子力學(xué)有緊密的關(guān)系，但是對此他常常又持一種懷疑的態(tài)度。作為提出“意識的困難問題”而聞名于世的哲學(xué)家來說，他始終關(guān)注的是意識的主觀經(jīng)驗問題，但是，在他看來，量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)相比，在意識問題上具有一定的優(yōu)勢，但是即便如此，這一范式目前還未能說明為什么會有主觀感受的發(fā)生?！皢栴}在于物理理論的基本元素都要?dú)w結(jié)到兩點(diǎn)：結(jié)構(gòu)和物理過程的動力學(xué)，但是從結(jié)構(gòu)和動力學(xué)出發(fā)，我們只能獲得更多的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)，而有意識的經(jīng)驗仍然沒有被涉及?！雹鼙M管如此，量子力學(xué)在意識研究上仍有許多探討的空間。

經(jīng)典力學(xué)論文:地方師范院校經(jīng)典力學(xué)課堂教學(xué)的幾點(diǎn)思考

【摘 要】新形勢下，地方師范院校面臨著兩方面的任務(wù)：一是培養(yǎng)能勝任素質(zhì)教育的中學(xué)教師；二是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的科研型學(xué)習(xí)人才。而當(dāng)前地方院校的轉(zhuǎn)型已經(jīng)落后于素質(zhì)教育的推廣和高中新課改的全面實(shí)施。因此，改變傳統(tǒng)的課程定位、教學(xué)模式、教學(xué)目標(biāo)勢在必行。本文討論了經(jīng)典力學(xué)課堂教學(xué)在學(xué)生角色轉(zhuǎn)變、職業(yè)技能培養(yǎng)和科研能力培養(yǎng)等方面的作用。

【關(guān)鍵詞】地方師范院校 課堂教學(xué) 橋梁作用 教師職業(yè)技能 科研創(chuàng)新能力

進(jìn)入21世紀(jì)，特別是在素質(zhì)教育全面實(shí)施、高中新課改全面推行、本科教育面向大眾化的新形勢下，地方師范院校的人才培養(yǎng)目標(biāo)也將發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整。一方面需立足于地方性和師范性，擔(dān)負(fù)起為地方培養(yǎng)素質(zhì)教育合格人才（中學(xué)教師）的任務(wù)；另一方面，由于本科教育已經(jīng)面向大眾化，研究生教育已經(jīng)是一種趨勢，因此，地方師范院校還承擔(dān)著為研究生培養(yǎng)輸送合格的科研型學(xué)習(xí)人才的任務(wù)。所以，地方師范院校的課堂教學(xué)既不能實(shí)行單一的知識講解和理論灌輸，也不能完全脫離教學(xué)的師范性，將地方師范教育轉(zhuǎn)變?yōu)榭佳屑庸S。下面筆者以經(jīng)典力學(xué)為例，談?wù)務(wù)n堂教學(xué)的幾點(diǎn)思考。

一 在課堂教學(xué)中發(fā)揮力學(xué)教學(xué)的橋梁作用

地方師范院校的力學(xué)課程往往是在大學(xué)一年級開設(shè)，此時，學(xué)生在學(xué)習(xí)方法和認(rèn)知能力等方面還停留在高中階段，對物理學(xué)科的認(rèn)識往往有很大的偏差，對物理學(xué)習(xí)的整體印象還停留在強(qiáng)化記憶、定量計算上，不習(xí)慣或不能夠?qū)ξ锢韺ο笞鐾暾敿?xì)的定性分析，不習(xí)慣用物理語言、數(shù)學(xué)語言去描述物理現(xiàn)象和運(yùn)用數(shù)學(xué)手段去解決物理問題。因而教師在課堂教學(xué)中，應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，養(yǎng)成用學(xué)術(shù)語言去定義物理概念，用物理語言去解釋數(shù)學(xué)公式，用數(shù)學(xué)手段解決物理問題的物理思維，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，逐步引導(dǎo)他們從中學(xué)物理的學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變到大學(xué)物理的學(xué)習(xí)方式上來，逐步適應(yīng)大學(xué)的課堂教學(xué)方式，從而充分發(fā)揮經(jīng)典力學(xué)課堂教學(xué)在學(xué)生角色轉(zhuǎn)變上的橋梁作用。力學(xué)教學(xué)的另一橋梁作用體現(xiàn)在力學(xué)課程中蘊(yùn)含的物理規(guī)律、科學(xué)思維、研究方法等對后續(xù)經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)課程的影響，經(jīng)典物理學(xué)中電磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等基礎(chǔ)物理理論的建立無一不與經(jīng)典力學(xué)理論有著密切的聯(lián)系，在學(xué)習(xí)方法和思維模式上深受經(jīng)典力學(xué)的影響。電磁學(xué)的學(xué)習(xí)首先是從電場和磁場力的屬性及能量的屬性開始的，庫侖定律、麥克斯韋方程組等理論的建立無一不是類比或借鑒于經(jīng)典力學(xué)理論。在聲學(xué)中聲音被視為是彈性介質(zhì)空氣中的機(jī)械振動。在熱學(xué)理論中，熱運(yùn)動被歸結(jié)為分子無規(guī)則機(jī)械運(yùn)動的統(tǒng)計表現(xiàn)，能量守恒被引入到熱力學(xué)三定律的建立之中，而光學(xué)中光電效應(yīng)愛因斯坦方程恰是功能關(guān)系的體現(xiàn)?？梢哉f，整個經(jīng)典物理理論均滲透著經(jīng)典力學(xué)的痕跡，因而，在經(jīng)典力學(xué)的課堂教學(xué)中，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生了解力學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系，發(fā)揮經(jīng)典力學(xué)在物理學(xué)知識體系中的橋梁作用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極主動性。

二 在課堂教學(xué)中培養(yǎng)師范類學(xué)生的職業(yè)技能

在素質(zhì)教育和新課改全面推行的新形勢下，對教師的職業(yè)技能要求越來越高，地方師范院校傳統(tǒng)的職業(yè)技能訓(xùn)練往往采取的是學(xué)生分組試講、教師單獨(dú)指導(dǎo)，這一模式由于受時間短、試講課堂虛擬化、教師指導(dǎo)理想化等客觀因素的限制，很難將學(xué)生培養(yǎng)成為一名合格的素質(zhì)教育工作者，因而在日常的教學(xué)活動中不僅要傳授知識，更應(yīng)該讓其參與到教學(xué)活動中來，積極學(xué)“教”。但在物理學(xué)的很多課程中由于受課時少、教學(xué)任務(wù)重、知識內(nèi)容相對較難等因素的影響，要想讓學(xué)生站在“準(zhǔn)教師”的立場參與到教學(xué)中來，是一件不容易的事情。而經(jīng)典力學(xué)由于在知識層面上有很大一部分與高中知識點(diǎn)相重疊，課程相對較簡單，因而在力學(xué)的課堂教學(xué)中，教師可以積極引導(dǎo)學(xué)生參與到教學(xué)活動中來，鼓勵他們以“準(zhǔn)教師”的立場去討論和理解在中學(xué)階段曾經(jīng)接觸過的物理問題，培養(yǎng)他們基本的職業(yè)技能，從而改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，真正讓學(xué)生參與到教學(xué)中來，在日常的教學(xué)活動中學(xué)習(xí)“教”，逐步培養(yǎng)和提高他們的教師職業(yè)素養(yǎng)。

三 在課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力

本科教育已經(jīng)走向大眾化，地方師范院校完全的師范性教育既不能滿足學(xué)生的發(fā)展需要，也不能促進(jìn)學(xué)校本身的發(fā)展。因而，如何以科研促進(jìn)教學(xué)，積極培養(yǎng)合格的“準(zhǔn)研究生”已經(jīng)是當(dāng)前地方師范院校面臨的難題之一。合格的“準(zhǔn)研究生”不僅要求學(xué)生具有系統(tǒng)而扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)，還應(yīng)具備自主創(chuàng)新的學(xué)習(xí)能力和科學(xué)探究能力，對本專業(yè)的前沿知識和發(fā)展前景均應(yīng)有所了解，這些知識技能的獲得，要經(jīng)過長期的學(xué)習(xí)和熏陶，逐步積累和總結(jié)才能習(xí)得。所以，教師在日常的課堂教學(xué)中，必須把握和貫徹這一理念。經(jīng)典力學(xué)作為師范類專業(yè)學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后較早接觸的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，是整個物理學(xué)的基石，其課程內(nèi)容具有基礎(chǔ)性和實(shí)用性的特點(diǎn)，經(jīng)典力學(xué)概念及其理論從形成到發(fā)展，都蘊(yùn)含了豐富的物理學(xué)思維。經(jīng)典力學(xué)研究問題的方法對學(xué)生認(rèn)知能力的培養(yǎng)起著不可替代的作用。經(jīng)典力學(xué)的研究手段是整個物理學(xué)乃至自然科學(xué)的常用手段之一。經(jīng)典力學(xué)課程的這些特點(diǎn)是課程本身的精華所在，在教學(xué)中，教師應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生去把握、探究這些科學(xué)思想、思維方式和研究方法，逐步養(yǎng)成研究式的學(xué)習(xí)方法，而不是單純地接受知識。教師在教學(xué)中，應(yīng)該加大介紹物理學(xué)發(fā)展的前沿理念和科學(xué)技術(shù)的力度，

拓展學(xué)生視野，幫助他們理清物理的學(xué)習(xí)思路，引導(dǎo)他們走上物理學(xué)習(xí)和研究之路。

地方師范院校的教學(xué)改革，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于素質(zhì)教育的推廣和高中新課改的推行，作為銜接中學(xué)物理和大學(xué)物理橋梁的基礎(chǔ)物理課程，特別是物理學(xué)基礎(chǔ)課程之中的核心課程——經(jīng)典力學(xué)，其教學(xué)改革和教學(xué)模式的好壞直接影響著地方師范院校在人才培養(yǎng)方面能否取得長足進(jìn)步，因而，探討和推行經(jīng)典力學(xué)課程教學(xué)改革具有舉足輕重的作用。

經(jīng)典力學(xué)論文:論經(jīng)典力學(xué)的局限性

摘要：人類從愚昧走向文明，從神學(xué)走向科學(xué)，在認(rèn)識自我的過程中，物理學(xué)起到了絕對重要的作用。而物理學(xué)的第一次顛覆時刻就是經(jīng)典力學(xué)的建立。但創(chuàng)造歷史的人們總是不可避免地要受到歷史的制約，重點(diǎn)論述了經(jīng)典力學(xué)的局限性。

關(guān)鍵詞：經(jīng)典力學(xué)；牛頓；局限性

在高中階段，我們所學(xué)習(xí)的力學(xué)知識主要是以牛頓運(yùn)動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)。那么經(jīng)典力學(xué)是如何形成的、它的局限性表現(xiàn)在哪些方面?讓我們一一解答。

一、經(jīng)典力學(xué)的形成

17世紀(jì)牛頓力學(xué)構(gòu)成了體系，可以說，這是物理學(xué)的第一次偉大綜合。牛頓建立了兩個定律，一個是運(yùn)動定律，一個是萬有引力定律，并發(fā)展了變量數(shù)學(xué)微積分，具有了解決實(shí)際問題的能力。他開創(chuàng)了天體力學(xué)這一科學(xué)，海王星和冥王星的發(fā)現(xiàn)就充分證明了這一點(diǎn)。

二、經(jīng)典力學(xué)的主要觀點(diǎn)

牛頓力學(xué)三定律構(gòu)成了近代力學(xué)的基礎(chǔ)，也是近代物理學(xué)的重要支柱。牛頓對于力學(xué)最重要的貢獻(xiàn)則是萬有引力的發(fā)現(xiàn)。

牛頓的力學(xué)三定律和萬有引力定律把天體運(yùn)動定律與地上物體運(yùn)動定律統(tǒng)一起來，建立起經(jīng)典力學(xué)的理論大廈。牛頓把他的力學(xué)理論應(yīng)用于太陽系，解決了天體力學(xué)中的一系列問題。他拿出了計算太陽質(zhì)量和行星質(zhì)量的方法，證明了地球是一個赤道凸出的扁球，解釋了歲差現(xiàn)象，說明了潮汐的漲落，分析了彗星運(yùn)動的軌跡和天體攝動現(xiàn)象等。

18世紀(jì)及以后的一系列事實(shí)，證實(shí)了牛頓力學(xué)的真理性，從而得到了廣泛的承認(rèn)。對證實(shí)牛頓萬有引力定律有重要意義的事實(shí)，一是哈雷彗星的發(fā)現(xiàn)，二是地球形狀的證實(shí)，三是關(guān)于行星攝動現(xiàn)象的證實(shí)。此外，如關(guān)于引力常數(shù)G的測定等，也都證實(shí)了萬有引力定律。

三、經(jīng)典力學(xué)的局限性

創(chuàng)造歷史的人們總是不可避免地要受到歷史的制約，牛頓當(dāng)然也不例外。由于受到時代的局限，牛頓創(chuàng)立的經(jīng)典力學(xué)的基本概念和基本原理存在著固有的局限性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.引入了絕對時間、絕對空間等基本概念

按照牛頓的說法，絕對的、真正的和數(shù)學(xué)的時間自身在流逝著，而且由于其本性均勻地、與任何其他外界事物無關(guān)地流逝著。絕對空間就其本性而言，是與任何外界事物無關(guān)、永遠(yuǎn)是相同的和不動的。絕對運(yùn)動是一個物體從某一絕對處所向另一絕對處所的移動。

萊布尼茲、貝克萊、馬赫等先后都對絕對空間、時間觀念提出過有價值的異議，但卻沒有證據(jù)能表明牛頓絕對空間的存在。愛因斯坦推廣了上述的相對性原理，提出了狹義相對論。在狹義相對論中，長度和時間間隔也變成了相對量，運(yùn)動的尺相對于靜止的尺變短，運(yùn)動的鐘相對于靜止的鐘變慢。在廣義相對論中，時空的性質(zhì)不是與物體運(yùn)動無關(guān)的：一方面，物體運(yùn)動的性質(zhì)要決定于用怎樣的空間時間參照系來描寫它；另一方面，時空的性質(zhì)也決定于物體及其運(yùn)動本身。

量子論的發(fā)展，對時間概念提出了根本的問題。量子論的結(jié)論之一就足：對于一個體系在過去可能存在于什么狀態(tài)的判斷結(jié)果，要決定于在現(xiàn)今的測量中做怎樣的選擇。這種現(xiàn)在與過去之間的相互關(guān)系，是與因果順序概念十分不同的，暗含于時間概念中的因果序列要求過去的存在應(yīng)是不依賴于現(xiàn)在的。

因此，用時間來描述事件發(fā)生的順序，可能并不總是合適的?？臻g與時間是事物之間的一種次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一種近似。

2.在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是恒定不變的，它與物體的速度或能量無關(guān)

在相對論中質(zhì)量這一概念的外延被大大地擴(kuò)展了。愛因斯坦著名的質(zhì)能方程E=mc2使原來在經(jīng)典力學(xué)中彼此獨(dú)立的質(zhì)量守恒和能量守恒定律結(jié)合起來，成了統(tǒng)一的“質(zhì)能守恒定律”，它充分反映了物質(zhì)和運(yùn)動的統(tǒng)一性。質(zhì)能方程說明，質(zhì)量和能量是不可分割而聯(lián)系著的。一方面，任何物質(zhì)系統(tǒng)既可用質(zhì)量m來表志它的數(shù)量，也可用能量E來表志它的數(shù)量；另一方面，一個系統(tǒng)的能量減少時，其質(zhì)量也會相應(yīng)減少，另一個系統(tǒng)接受而增加了能量時，其質(zhì)量也相應(yīng)地增加。

3.經(jīng)典力學(xué)定律只適用于宏觀低速世界

經(jīng)典力學(xué)定律只適用于宏觀低速世界，對于可與光速相比的高速情況和微觀世界的適用問題，當(dāng)時沒有涉及也不可能涉及。1905年，出生于德國的美籍物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表了狹義相對論。這個理論指出在宇宙中唯一不變的是光線在真空中的速度，其他任何事物——速度、長度、質(zhì)量和經(jīng)過的時間，都隨觀察者的參考系而變化。

同樣，納入力學(xué)框架中的光的波動論也難以自圓其說。按照波動論，光被解釋為充滿宇宙空間的以太的振動。由于光是橫波，因此以太必須具有承受切應(yīng)力而不承受壓應(yīng)力的能力，又由于以太對可稱量物質(zhì)并不產(chǎn)生可觀察到的阻力，它又必須具有極小的密度。為此，人們絞盡腦汁，臆想出種種以太模型。這種無所不能、無奇不有的以太反倒使人如墜霧中。

經(jīng)典力學(xué)的基本概念和基本原理在熱力學(xué)中也遇到了一些麻煩。1865年，克勞修斯確立了熱力學(xué)第二定律，該定律揭示出與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程具有不可逆性。在經(jīng)典力學(xué)中，從未發(fā)現(xiàn)類似的情況，力學(xué)過程的可逆性是由普遍的力學(xué)原理作保證的。可是熱力學(xué)第二定律也是普遍成立的，因此，這個矛盾是無法用力學(xué)的基本觀念予以解釋的。

四、廣義相對論的提出

由于牛頓定律給狹義相對論提出了困難，即任何空間位置的任何物體都要受到力的作用。因此，在整個宇宙中不存在慣性觀測者。愛因斯坦為了解決這一問題又提出了廣義相對論。

狹義相對論最著名的推論是質(zhì)能公式，它說明了質(zhì)量隨能量的增加而增加，它也可以用來解釋核反應(yīng)所釋放的巨大能量，但它不是導(dǎo)致原子彈誕生的原因。而廣義相對論所預(yù)言的引力透鏡和黑洞，與有些天文觀測到的現(xiàn)象符合。

傳統(tǒng)上，在愛因斯坦剛剛提出相對論的初期，人們以所討論的問題是否涉及非慣性參考系作為狹義與廣義相對論分類的標(biāo)志。隨著相對論理論的發(fā)展，這種分類方法越來越顯示出其缺陷——參考系是跟觀察者有關(guān)的，以這樣一個相對的物理對象來劃分物理理論，被認(rèn)為不能真實(shí)地反映問題的本質(zhì)。目前，一般認(rèn)為，狹義與廣義相對論的區(qū)別在于所討論的問題是否涉及引力(彎曲時空)，即狹義相對論只涉及那些沒有引力作用或者引力作用可以忽略的問題，而廣義相對論則是討論有引力作用時的物理學(xué)的。用相對論的語言來說，就是狹義相對論的背景時空是平直的，即四維平凡流型配以閔氏度規(guī)，其曲率張量為零，又稱閔氏時空；而廣義相對論的背景時空則是彎曲的，其曲率張量不為零。

事實(shí)上，物理學(xué)在每一個歷史時期都有它自己的基本概念和基本原理，而繼后的時期人們又往往夸大它們的作用，不適當(dāng)?shù)匕阉鼈冋`用到其所能及的范圍之外。為了消除這種誤用，每--W歷史時期都需要一種新的啟蒙，正是這種永不止息的啟蒙精神，才使科學(xué)不致變?yōu)榻┗慕虠l。

(作者單位　山西省大同市農(nóng)業(yè)機(jī)械化學(xué)校)

經(jīng)典力學(xué)論文:再議經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性

我們對物理這門學(xué)科并不陌生，早在17世紀(jì)，偉大的物理學(xué)家伽利略就曾想出用理想斜面來研究力和運(yùn)動的關(guān)系。他開創(chuàng)了“觀察實(shí)驗、科學(xué)思維、與數(shù)學(xué)相結(jié)合的研究方法”，發(fā)現(xiàn)了慣性定律、自由落體規(guī)律、力學(xué)相對性原理，從此奠定了動力學(xué)的基礎(chǔ)。而天才的物理學(xué)家牛頓將研究方法發(fā)揮到極至他在前人研究的基礎(chǔ)上，采用歸納演繹、綜合分析的方法，總結(jié)出牛頓運(yùn)動定律和萬有引力定律，建立了完整的經(jīng)典力學(xué)。同時也確立了他在物理學(xué)界至高無上的地位,并被稱為經(jīng)典力學(xué)之父。但是人創(chuàng)造了歷史必然也會受到歷史的制約，因此經(jīng)典力學(xué)有其巨大的成就性，但其也存在著局限性。

一、經(jīng)典力學(xué)的成就

經(jīng)典力學(xué)理論體系的完美和實(shí)用威力的強(qiáng)大使物理學(xué)家相信,天地四方,古往今來發(fā)生的一切現(xiàn)象都能夠用力學(xué)來描述.許多科學(xué)家宣稱物理學(xué)的大廈已基本建成，留給后人的只是補(bǔ)充與完善。經(jīng)過三次革命，第一次,是一位年輕的物理學(xué)家?guī)缀鮾H靠單槍匹馬之力引發(fā)的。他就是偉大的理論物理學(xué)家，阿爾伯特?愛因斯坦。19世紀(jì)末科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),當(dāng)研究有關(guān)光的問題時,用經(jīng)典物理的理論解釋一些相關(guān)現(xiàn)象,就會產(chǎn)生尖銳的矛盾.為了解決這一矛盾,愛因斯坦于1905年提出了狹義相對論；第二次革命的導(dǎo)火索是物理學(xué)史上的三大發(fā)現(xiàn)：倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、湯姆生發(fā)現(xiàn)電子、貝克勒耳發(fā)現(xiàn)天然放射線 ,使物理學(xué)的研究從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入了微觀世界,人們發(fā)現(xiàn),微觀粒子所表現(xiàn)出的現(xiàn)象用經(jīng)典物理理論根本無法解釋，為了克服這一困難,德國物理學(xué)家普朗克大膽提出了量子的觀點(diǎn),愛因斯坦等物理學(xué)家又將量子論進(jìn)一步豐富、發(fā)展，形成了現(xiàn)代量子力學(xué)理論.因此對其做出闡述是：經(jīng)典物理對物理學(xué)思想和科學(xué)方法作了重點(diǎn)總結(jié)，它只適用于宏觀低速的物體，相對論和量子論則適用于微觀高速粒子的運(yùn)動。因此，相對論和量子力學(xué)的建立,并不是對經(jīng)典力學(xué)的否定。

二、經(jīng)典力學(xué)的局限性

（一）絕對時間、絕對空間等基本概念引入。按照偉大的物理學(xué)家牛頓所闡述的是，絕對的、真正的和數(shù)學(xué)的時間自身在流逝著，而且由于其本性而均勻地、與任何其他外界事物無關(guān)地流逝著。絕對空間就其本性而言，是與任何外界事物無關(guān)而永遠(yuǎn)是相同的和不動的。絕對運(yùn)動是一個物體從某一絕對的處所向另一絕對的處所的移動。但是萊布尼茲、貝克萊、馬赫等先后都對絕對空間、時間觀念提出過有價值的異議，指出過，沒有證據(jù)能表明牛頓絕對空間的存在。愛因斯坦推廣了上述的相對性原理，提出狹義相對論。在狹義相對論中，長度和時間間隔也變成相對量，運(yùn)動的尺相對于靜止的尺變短，運(yùn)動的鐘相對于靜止的鐘變慢。在廣義相對論中，時空的性質(zhì)不是與物體運(yùn)動無關(guān)的：一方面，物體運(yùn)動的性質(zhì)要決定于用怎樣的空間時間參照系來描寫它另一方面時空的性質(zhì)也決定于物體及其運(yùn)動本身。另一方面量子論的發(fā)展，對時間概念提出了更根本的問題。量子論的結(jié)論之一就是：對于一個體系在過去可能存在于什么狀態(tài)的判斷結(jié)果，要決定于在現(xiàn)今的測量中做怎樣的選擇。這種現(xiàn)在與過去之間的相互關(guān)系，是與因果順序概念十分不同的，暗含于時間概念中的因果序列要求過去的存在應(yīng)是不依賴現(xiàn)在的。因此，用時間來描述事件發(fā)生的順序，可能并不總是合用的?？臻g與時間是事物之間的一種次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一種近似。

（二）牛頓雖然對引力作了抽象的、純粹數(shù)學(xué)形式的概括，把它實(shí)際看作是一種直接的、即時傳遞的超距作用力。愛因斯坦的廣義相對論對萬有引力做出一種解釋，就是時空本身是有彈性的，可以彎曲、伸展。當(dāng)一個有質(zhì)量的物體置于某一空間時，空間就會彎曲變形，質(zhì)量越大，空間彎曲變形就越嚴(yán)重。那么，空間為什么會在有質(zhì)量的物體周圍彎曲呢？愛因斯坦也沒能給出答案。所以，愛因斯坦的彎曲空間理論也沒有說明引力的本質(zhì)是什么。量子力學(xué)關(guān)于電荷間的電磁力和強(qiáng)子間的強(qiáng)相互作用力的傳遞原理的解釋也沒有說明引力的本質(zhì)是什么。認(rèn)為引力是通過引力場或引力子來傳遞的觀點(diǎn)也未得到肯定，因而至今科學(xué)家也沒有找到傳遞萬有引力作用的引力子。

（三）在經(jīng)典力學(xué)中物體的質(zhì)量是恒定不變的，它與物體的速度或能量無關(guān)。在相對論中質(zhì)量這一概念的外延就被大大地擴(kuò)展了。.愛因斯坦著名的質(zhì)能方程E=mc2使到原來在經(jīng)典力學(xué)中彼此獨(dú)立的質(zhì)量守恒和能量守恒定律結(jié)合起來，成了統(tǒng)一的“質(zhì)能守恒定律”，它充分反映了物質(zhì)和運(yùn)動的統(tǒng)一性。質(zhì)能方程說明，質(zhì)量和能量是不可分割而聯(lián)系著的.一方面，任何物質(zhì)系統(tǒng)既可用質(zhì)量m來標(biāo)志它的數(shù)量，也可用能量E來標(biāo)志它的數(shù)量；另一方面，一個系統(tǒng)的能量減少時，其質(zhì)量也相應(yīng)減少，另一個系統(tǒng)接受而增加了能量時，其質(zhì)量也相應(yīng)地增加。愛因斯坦從力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，考慮兩個球體的彈性碰撞，利用動量守恒定理和相對論速度相加定理能夠?qū)С鲋馁|(zhì)速度公式 ，該式說明，物體的質(zhì)量不再是與其運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)的量，它依賴于物體的運(yùn)動速度。當(dāng)物體的速度趨于光速時，物體的質(zhì)量趨于無窮大。

（四）經(jīng)典力學(xué)定律只適用于宏觀低速世界，對于可與光速相比的高速情況和微觀世界的適用問題，當(dāng)時沒有涉及也不可能涉及。

（五）在經(jīng)典物理學(xué)中，最難使人滿意之處恐怕莫過于對光的描述了。如果微粒說是正確的，那么人們不禁要問，當(dāng)光被吸收的時候，組成光的粒子變成了什么呢？而且為了既表示可稱量物質(zhì)又表示光，必須在討論中引入不同的實(shí)體，這無論如何也不能使人心安理得。

同樣，納入力學(xué)框架中的光的波動論也難以自圓其說。按照波動論，光被解釋為充滿宇宙空間的以太的振動。由于光是橫波，因此以太必須具有承受切應(yīng)力而不承受壓應(yīng)力的能力，又由于以太對可稱量物質(zhì)并不產(chǎn)生可觀察到的阻力，它又必須具有極小的密度。為此，人們絞盡腦汁，臆想出種種以太模型。這種無所不能、無奇不有的以太反倒使人如墮五里霧中。在1865年，克勞修斯確立了熱力學(xué)第二定律，該定律揭示出與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程具有不可逆性。在經(jīng)典力學(xué)中，從來也未發(fā)現(xiàn)類似的情況，力學(xué)過程的可逆性是由普遍的力學(xué)原理作保證的。可是熱力學(xué)第二定律也是普遍成立的，因此，這個矛盾是無法用力學(xué)的基本觀念予以解釋的。

總之，物理學(xué)在每一個歷史時期都有它自己的基本概念和基本原理，而繼后的時期人們又往往夸大它們的作用，不適當(dāng)?shù)匕阉鼈冋`用到其所能及的范圍之外。為了消除這種誤用，每個歷史時期都需要一種新的啟蒙，正是這種永不止息的啟蒙精神，才使科學(xué)不致變?yōu)榻┗慕虠l。