惯性的历史

在文艺复兴之前,西方哲学中最广为接受的运动理论是亚里士多德的理论,大约创立于公元前335年至公元前322年。亚里士多德表明,所有物体(在地球上)最终都会停止运动,停留在它们的自然位置,前提是没有“暴力的力量”,但只要有暴力使物体运动,物体就会继续运动。当投掷物被抛出后,投掷者的暴力转移到投掷物周围的空气中,使空气流动,成为新的推手,不断促使投掷物运动。

在接下来的两千年左右的时间里,亚里士多德的运动概念被广泛接受,只有少数著名哲学家对此提出质疑。例如,在6世纪,约翰·菲洛珀诺斯严厉批评了亚里士多德关于物体运动的不一致理论:亚里士多德认为真空不可能存在,因为在真空中,没有介质使物体运动,但他也说介质的阻力与其密度成正比:假设空气的密度是水的一半, 一个物体通过相同路径的时间是水的一半,所以一个物体通过真空的时间是水的一半。

菲洛珀诺斯认为,介质只能阻碍抛射体的运动,而不能促进抛射体的运动;在真空中,没有任何介质,投掷物体更容易移动。Philoponos提出,促使抛射体持续运动的因素与周围介质无关,而是在运动开始时强加给抛射体的某种性质,在运动过程中逐渐耗尽。虽然这个提议与现在的惯性概念还是有所不同,但至少它在正确的方向上迈出了根本性的一步。

然而,在那段时期和许多年后,他的思想被忽视了,许多亚里士多德学者强烈反对,包括托马斯·阿奎那(约1225-1274)和艾伯特·马格纳斯(约1200-1280)。只有奥卡姆的威廉(约1288-1348)反对亚里士多德的物理学。他质疑亚里士多德提到的运动的“推动者”在哪里。虽然他否认亚里士多德公理的正确性,但他认为投掷物体的运动不需要在任何时间和地点都有推动者的伴随。然而,他也未能给出任何替代答案。14世纪,法国哲学家让·布里坦提出了冲动理论。他把推动物体运动的本质称为冲动,冲动通过推动者传递给物体,推动物体运动。他否认了势头会自行消失的观点。布伦丹认为,不朽的冲力逐渐被空气阻力或摩擦力抵消,只要冲力大于阻力或摩擦力,物体就会继续运动。布里丹的冲量与物体的密度和体积成正比;速度越大,冲力越大;物体中的物质越多,它所能接受的冲力就越大。

从日常观察来看,布里丹想出了很多反例来反驳亚里士多德的理论:假设一个陀螺或磨盘绕着固定的轴旋转,空气如何推动它在这些物体后面旋转?模具:将模具包裹在旋转物体外,使旋转物体与模具之间没有间隙。这样,旋转的物体和模具之间就不会有空气。空气是如何促进自转的?想象一艘拖船拖着另一艘船在风平浪静的海面上航行。然后,割断拖缆,被拖的船会因为海水阻力和空气阻力而慢慢停止航行。这时,站在甲板上、面向船首的水手会感觉到迎面吹来的空气,从船首吹向船尾,试图减缓船的航行速度;他不会感觉到空气对着他的后背吹,从船的后面吹到船的前面,试图推动船的航行。考虑到石头和羽毛这两种物质,空气应该更容易推动羽毛。但是,为什么扔石头和扔羽毛的力度一样,石头移动的距离比羽毛远很多呢?虽然它与现代的惯性概念非常相似,但布里丹只是将他的理论视为对亚里士多德基本哲学的微小修正,并坚持了许多其他亚里士多德的观点。比如他认为运动的状态和静止的状态是两种不同的状态。布伦丹还认为冲量不仅适用于直线运动,也适用于圆周运动,它使物体(例如恒星)以圆周运动的方式运动。

萨克森·艾伯特是布兰登的学生。他把布里坦的理论传播到了意大利和中欧。牛津大学默顿学院的思想家Hetesbury William最早表述了平均速度定理:如果一个速度相等的物体的速度是一个加速度相等的物体在同一时间间隔内初速度和终速度之和的一半,那么这两个物体运动的距离相等。这个定理是自由落体定律的基础。早在伽利略·伽利雷之前,他们就已经做了实验来证实这个定理。Nicole oris发展了他们的研究成果。他创造了用图形解释运动规律的方法,用几何方法证明了平均速度定理。奥里斯在1377出版的《天地通论》一书中指出,自由落体在加速时,重量不增加,动量增加。假设,挖一条笔直的隧道,从地球表面的A点,穿过地心,到地球表面的B点,然后往隧道里投一个重物,那么它就会从A点,穿过地心,运动到B点,就像一个钟摆从一边摆动到另一边。但在从地心到B点的途中,处于上升状态,重量只能导致物体下落,所以冲力和重量是不一样的。

这些研究进展逐渐侵蚀了学者们对亚里士多德物理学的信心。就在伽利略发表惯性原理前不久,1585年,意大利物理学家乔瓦尼·贝内代蒂将日益成熟的冲量理论限定为只适用于直线运动:贝内代蒂特别举了甩石索的细绳为例,当甩石索的细绳转动时,其皮袋中的石头因为受到其皮绳的约束而被迫做圆周运动;但是,如果把石头扔出皮绳的束缚,石头会做直线运动,它的直线轨迹会与投掷点相切。惯性原理发表在伽利略1632年出版的《托勒密与哥白尼的对话》一书中。它被提出来作为捍卫日心说的一个基本论点。

根据亚里士多德的物理学,使物体保持匀速运动的是力的持久作用。然而,伽利略的实验结果证明,在引力的持久影响下,物体并不是匀速运动的,相反,每过一定时间,它的速度就会增加。一个物体在任何一点继续保持速度,并因重力而加剧。如果重力可以被切断,物体将继续以它在该点获得的速度运动。伽利略在实验中观察到金属球在斜面上滚动金属球以匀速继续滚过光滑的平板。从这些观察中,可以得出惯性原理。这个原理明确了一个物体只要不受外力作用,就会保持原来的静止状态或匀速运动状态。

他认为外力改变的是物体的速度而不是位置;在没有任何外力的情况下,保持物体的速度不变。为了证明他的说法,伽利略做了一个思想实验。如右图所示,让静止的球从A点沿斜面AB滚下,球滚到底部后再沿斜面BC向上滚。假设两个斜面非常光滑,摩擦系数极小,空气阻力可以忽略不计,球会以与A点相同的高度滚到C点;假设斜面是BD,BE或者BF,球也会滚到和A点一样的高度..只是斜面越长,卷起时单位时间内速度的降低量就越小。假设斜面逐渐延伸,最后变成水平面BH,基于“连续性原理”,球“本应该”回到与a点同高的位置,但由于BH是水平的,球永远不会滚到前面的高度,减速变为零,所以球会保持匀速直线运动。伽利略得出结论,如果没有障碍物,运动的物体将继续匀速直线运动。他称之为惯性定律。

这个理论刚提出的时候并没有被其他学者接受,因为当时大多数学者并不了解摩擦力和空气阻力的本质,但是伽利略的实验是基于可靠的事实,经过抽象思考,抓住了主要因素,忽略了次要因素,更深刻地反映了自然规律。

值得注意的是,后来伽利略从惯性定律推导出,如果没有外部参照物的比较,是绝对无法区分物体是静止的还是运动的。这个观察后来成为爱因斯坦发展狭义相对论的基础。

伽利略的惯性原理是现代科学的起点,摧毁了反对哥白尼所谓地球运动缺乏直接证据的借口。现代社会普遍认可的惯性原理来自牛顿的《自然哲学的数学原理》(1687),定义如下:

惯性定律是牛顿第一定律。

所有物体都将处于静止或匀速直线运动状态,直到施加在其上的力改变其运动状态。

写完牛顿第一定律后,牛顿开始描述他观察到的各种物体的自然运动。抛射体,如飞箭、飞石,如果没有空气阻力的抵抗和重力的吸引,会继续匀速运动。旋转体,比如陀螺仪,如果不被地面的摩擦力损耗,会永远旋转下去。行星、彗星等恒星在太空中运动时,阻力较小,会维持轨道更长时间。这里牛顿没有提到牛顿第一定律和惯性参考系的关系。他关注的是,为什么在一般的观察中,运动的物体最终会停止运动?

他认为原因是空气阻力、地面摩擦力等等作用在物体上。如果这些力不存在,运动的物体将永远匀速运动。这个想法是一个非常重要的突破,需要极其缜密的洞察力和丰富的想象力才能实现。

牛顿的惯性原理是经典物理学的基础之一,随着现代物理学的发展,对它的理解也发生了变化。牛顿说:“我只是站在了巨人的肩膀上!”“对惯性认识的一个重要进展是惯性和能量之间的关系。

阿尔伯特·爱因斯坦在1905年的论文《论运动物体的电动力学》中提出了狭义相对论,这是一种全新的物理理论,是以伽利略和牛顿发展的惯性和惯性参考系为基础的。它统一了力学和电磁学的理论,带来了时空观念的根本变革。爱因斯坦于是证明了质能关系,E=mc?一定的质量对应一定的能量,而一定的能量对应一定的质量。

这里的能量包括各种形式的能量,突破了上述将某种形式的能量与惯性联系起来的认识。这样看来,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于能量。作为物理学的基本概念和物质的量,质量的概念已经退居次要地位。现在现代物理学中,能量和动量的概念比质量和力的概念重要得多。

虽然这个划时代的理论实际上改变了牛顿的很多概念,比如质量、能量、距离,但是爱因斯坦的惯性概念在那之后和牛顿最初的概念并没有什么不同。事实上,整个理论是基于牛顿对惯性的定义。但这也使得狭义相对论的相对性原理只适用于惯性参考系。在这个参照系中,不受外力作用的物体必须保持静止或匀速直线运动。

为了应对这种局限,爱因斯坦在1916发表了一篇论文《广义相对论的基础》,提出了广义相对论。这个理论可以应用于非惯性参考系。然而,为了达到这个目的,爱因斯坦发现他不得不使用弯曲时空的新概念,而不是传统的牛顿力概念,来重新定义几个基本概念(比如引力)。

由于这种重新定义,爱因斯坦也用大地误差重新定义了惯性的概念,从而引起了一些微妙但重要的结果。根据广义相对论,在处理大规模问题时,不能使用和依赖传统的牛顿惯性。幸运的是,对于足够小的时空区域,狭义相对论依然适用,惯性的内涵和做功依然与经典模型相同。

狭义相对论的另一个深刻结果是,能量和质量不是不相关的物理性质,而是可以相互转化的。这种全新的关系也赋予了惯性概念新的含义。狭义相对论的逻辑结果是,如果质量服从惯性原理,那么能量也必须服从惯性原理。在许多情况下,这个理论大大拓宽了惯性的定义,可以应用于物质和能量。

能量有惯性,拓宽了对惯性和能量的理解。它的巨大实用价值是核能的释放。在裂变反应中,裂变产物的静止质量小于裂变前物质的静止质量,质量缺陷释放出大量的裂变能量;在聚变反应中,聚变产物的净质量小于聚变前材料的质量,质量缺陷释放出大量的聚变能。也让人们对很多物理现象有了很好的认识,包括正负粒子对的产生和湮灭过程涉及到物质的所有质量和能量的转化。

我们知道,惯性质量是物体惯性的量度,反映了物体对加速度的阻抗,而引力质量是物体引力性质的量度,反映了物体产生和承受引力的能力。它们显然是两种完全不同的物质属性。描述物质两种不同性质的量是否严格相等是个问题,惯性质量和引力质量相等是个严格定律。惯性质量和引力质量相等不再是牛顿力学无法解释的普遍事实,而是成为了具有重大意义的广义相对论的基石。爱因斯坦找到了这块基石,并以此发展了广义相对论,这真是爱因斯坦独到的洞察力和无与伦比的伟大贡献。惯性成了现代物理学家的难题,虽然它有牛顿的经典理论。但是在科技时代,有很多现象是以前的理论无法解释的。用过去那些无法解释的经典。也是现代物理学的奠基人爱因斯坦留给我们后人的问题。爱因斯坦无法解释惯性,于是无奈地将相对论分为广义和狭义。他的人生一直被这个问题困扰,至今没有答案。