现在,我们就可以解释和回答争论了三个多世纪的惯性的本质和起源这一问题了。
今天的人们,在运动定律的基础上,有了更伟大、更辉煌的牛顿引力理论作为认识自然现象的更重要的思想理论基础。我们就
应该清晰的看到:地球表面的物体,因其自身的引力、重力这一内禀性质,在地面上静止时便产生了静摩擦力。万物正是由于自身的静摩擦力这一内禀性质,防蔽了自然界的“风吹草动”等外来因素,因而物体才具备了能够相对于地面保持静止这一性能。一句话,静止这一惯性特性的内在机制归根结底就是物体的万有引力这一作为内因的内力、内禀性质。
物体在地面上运动的过程,也就是外力克服摩擦阻力对物体做功的过程。根据功能原理,运动物体将同时获得一定大小的动能,物体也就相对于大地具有了一定大小的速度。运动物体所受到的外力停止作用后,动能在摩擦阻力做负功的作用下立即减小,但减至为零必有一个时间过程。因此运动物体在停止受力后并不立即转入静止状态。这就是物体具备“继续”保持其运动状态这一惯性特性的合情合理的内在机制。这一解释与在牛顿运动定律的基础上建立起来的功能原理、动能定理等更系统的力学理论是多么的协调一致,难道不算是十分完美的惯性运动的本质和起源的正确解释吗?
根据运动物体所受的外力停止作用后,动能在摩擦阻力做负功的作用下立即减小这一理论上的和实践中非常容易观察到的事实来判断,物体的惯性运动一定是减速运动,物体根本不可能具备由第一定律定义的在“停止受力后还能保持匀速直线运动的状态” 这样的性能。所有的力学教科书在讲述了第一运动定律之后,立即便对惯性下了这样的定义:“物体的这种保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质叫做惯性。”并进一步写道:(所以)牛顿第一定律又叫做惯性定律。
我们已经说过,惯性概念来源于生活实践,它在第一定律建立之前早就已经产生了。用力推、拉物体或小车之后,静止的物体或小车开始运动;停止推、拉的作用后,物体或小车因“惯性”而运动。这恐怕就是产生惯性概念的最初源泉。所以,惯性首先应该就是物体可以表现出来的,我们人类确确实实能够感受到的物体的习以为常的性能。牛顿第一定律所讲的只是一种想象中的理想化了的状态。物体不可能处于理想化的状态中,因此物体也就无法表现出由牛顿第一定律定义的那样的惯性。那么?人们为何又要根据牛顿第一定律来定义惯性的标准概念,并反过来根据惯性的“标准定义”又将第一定律提升为“惯性定律”呢?这个紧密联系着长达二千多年的历史认识过程的问题在这篇广告性的“短文”中就不再阐述了。
正因为第一定律描述的只是一种理想化了的状态,因此第一定律从本质上讲就是一座“空中楼阁”。但建立 “惯性定律”这座空中楼阁是力学发展的必经之路。当力学从古代的静力学进入到近代的静力学并由伽利略将它发展成运动学之后,牛顿所面临的选择就是要寻找运动和力关系的数学方程。今天的人们,在更伟大、更辉煌的牛顿引力理论的基础上,应该清晰的认识到:在地表水平面上,物体的引力—重力—摩擦阻力这一作为内因的内力的作用,就是将物体静止在地面上;物体可受到也可以不受的纯粹由外因引起的拉力或推力等外力就是使物体运动的原因。的确,一旦承认引力—重力—摩擦阻力是物体的内力、内禀性质,将物体的这一内力包括在更科学的“物体的概念”之内,就可以在理论上和现实中对匀速直线运动获得统一的认识:物体的匀速直线运动需要外力来维持。综合牛顿第二定律,我们将得到更为科学的结论:外力的作用不但体现为物体的加速度,而且体现为物体的速度。显然,只有当物体受到某一方向的持续不断的大于物体最大静摩擦力的外力的作用时,物体才由静止状态进入到加速运动状态;当物体加速到单位时间内摩擦力所做的负功正好等于外力对物体所做的正功的绝对值时,物体就以此时的速度继续做匀速直线运动。运动与力的关系是如此的复杂,然而三个多世纪之前的牛顿祖师所面临的情况就是“巧妇难为无米之炊”。
牛顿在伽利略等人的基础上建立起来的第一定律的伟大功绩,恰恰是因为它适应了当时的客观历史认识条件的局限性的要求。牛顿只有在第一定律中将匀速直线运动和静止状态放到同一高度,根据伽利略斜面实验的近似结论,用假想的摩擦力完全不存在时的“合理结论”,将外力与匀速直线运动的这一层关系过滤掉,他才能找到在第一定律的作用下简化了的第二定律的数学方程。否则,牛顿怎么能够超越于日常的生活经验的直觉——速率主要是跟作用力有关(即爱因斯坦后来所说的“一辆四匹马驾的车比一辆两匹马驾的车运动得快”)“违心”的建立作用力仅仅只跟加速度有关的第二定律的数学方程呢?
在没有引力观念,无法对物体的静止状态的深奥内涵获取明晓的认识,根本不可能对物体的受力情况作出完整的科学分析的历史条件下,牛顿的思维只有蹬上“惯性定律”这座空中楼阁,巧妙地引入实际上是包括了重力、引力在内的一切对物体的运动状态产生影响的所有的环境因素的总和——合外力的概念之后,他才能“看到”简化了的“外力”与加速度的数量关系。否则,即使牛顿再天才一倍,在当时的客观历史认识水平的局限下,不但不可能找到完美的精确的运动与力的数量关系,而且也不可能找到简化了的运动与力的数学方程——牛顿第二定律。
第一定律与第二定律的这种逻辑缺漏与相互补充的关系,犹如一个双目失明的人背着一个只有一条腿的人,两者组成了“协调一致”的“可行走”的人。
本想写一篇广告性的短文,但由于本文所涉及的题材确实重大,而观点又似乎是太“离经叛道”,文字少了便没有说服力,因而自然而然的写了这么多,那就到此为止吧?关于惯性力到底是不是虚拟力,用牛顿引力理论弥补运动定律的逻辑漏洞,惯性质量与引力质量相等的理由,现代科学中的“惯性原理”等问题的讨论将在其它几篇文章中阐述。