惯性的故事——萨尔维阿蒂的大船.doc

一、惯性的故事——萨尔维阿蒂的大船
经典物理学是从否定亚里士多德的时空观开始的。当时曾有过一场激烈的争论。赞成哥白尼学说的人主张地球在运动，维护亚里土多德----托勒密体系的人则主张地静说。地静派有一条反对地动说的强硬理由：如果地球是在高速地运动，为什么在地面上的人一点也感觉不出来呢？这的确是不能回避的一个问题。
　　1632年，伽利略出版了他的名著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。书中那位地动派的“萨尔维蒂”对上述问题给了一个彻底的回答。他说：“把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里，让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫，舱内放一只大水碗，其中有几条鱼。然后，挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里。船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐中，你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向用更多的力。你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相等。当你仔细地观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速，也不忽左忽右地摆动，你将发现。所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快，在跳跃时，你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远。虽然你跳到空中时，脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。你把不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也并不需要用更多的力。水滴将象先前一样，滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾。虽然水滴在空中时，船已行驶了许多柞。鱼在水中游向水碗前部所用的力并不比游向水碗后部来得大；它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。最后，蝴蝶和苍蝇继续随便地到处飞行。它们也决不会向船尾集中，并不因为它们可能长时间留在空中，脱离开了船的运动，为赶上船的运动而显出累的样子。”
　　萨尔维阿蒂的大船道出了一条极为重要的真理，即：从船中发生的任何一种现象，你是无法判断船究竟是在运动还是在停着不动。现在称这个论断为伽利略相对性原理。
　　用现代的语言来说，萨尔维阿蒂的大船就是一种所谓惯性参考系。就是说，以不同的匀速运动着而又不忽左忽右摆动的船都是惯性参考系。在一个惯性系中能看到的种种现象，在另一个惯性参考系中必定也能无任何差别地看到。亦即，所有惯性参考系都是平权的、等价的。我们不可能判断哪个惯性参考系是处于绝对静止状态，哪一个又是绝对运动的。
伽利略相对性原理不仅从根本上否定了地静派对地动说的非难，而且也否定了绝对空间观念(至少在惯性运动范围内)。所以，在从经典力学到相对论的过渡中，许多经典力学的观念都要加以改变，唯独伽利略相对性原理却不仅不需要加以任何修正，而且成了狭义相对论的两条基本原理之一。

二、惯性定律的建立

人类是如何认识惯性的，惯性定律为什么是牛顿第一定律的别称，而不是伽利略或笛卡儿所发现的？本文以史实为依据，对这一问题作初步阐述．
　　古希腊的哲学家亚里士多德（公元前384-322年）在他所著《物理学》一书中认为：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，亚里士多德根据对现象的观察、直觉推理方法得到结论的，他没想到用实验来验证，在他的思想中对惯性根本没有任何认识．
　　比亚里士多德稍晚的古希腊的另一位哲学家伊壁鸠鲁（公元前342�270年）却提出了不同的看法，他说：“尽管原子在质量和形式上是那样的不同，然而它们却以同样的速度在虚空的空间中运动．”古罗马原子论者卢克莱修（公元前约99�55年）在《物性论》中说：“每样东西虽然重量不相等，都必定以同样的速度冲下，通过寂静的虚空运动．”他们两人的看法虽有惯性运动的见解，但仅仅是一种猜测和推理而已．
　　我国远在春秋战国的“墨经”上已有惯性的论述．在春秋战国末期的《考工论辀人篇》中更有明确的记载：“劝登马力，马力既竭，犹能一取也．”意思是说：马拉车的时候，马虽然对车不再施力了，但车还能继续前进一段路，这显然是在讲述一种惯性现象．
　　14世纪的布鲁丹曾经说过：物体被抛出后，若无外力的作用，它本身的冲力（动量）就能使物体永远保持匀速运动．15世纪罗马教会主教库萨的居拉（1401�1464年）说：“在光滑地板上运动着的光滑小球，将继续运动直到受到某些物体的制止．”这些人的看法都是从一定哲理出发；缺乏实验根据．但他们都曾先后冲击着亚里士多德的断言．
　　真正令人们信服的论述是意大利物理学家伽利略（1564�1642年）所作出的，他在《关于托勒密和哥白尼两种世界体系的对话》一书通过萨尔维阿蒂（伽利略的代言人）和辛普利邱（亚里士多德的代言人）的一段对话，对惯性作了阐述：
　　萨：“……假想有一光滑如镜的平面是用钢那样坚硬的材料制成的，该平面同地平线不平行，而是略微倾斜，如果在它上面放上一个钢那样的又硬又重的材料制成的滚圆的球，你认为在松开手之后这个圆球会怎样呢？……如果把同一个可运动的物体放在一个既不向上又不向下倾斜的表面上，会发生什么情况？”
　　辛：“如果只是把它放在这个平面上不动，在这种情况下，该物体一点也不动，但是如果沿某个特定方向已经给了它一个初始冲力，那末就再不会有加速或减速的原因．”
　　萨：“确实如此，但是如果没有引起圆球减速的原因，就更不会有使它停住不动的原因了，那末你说这个球会继续运动到多远．”
　　萨：“如果这个空间是无限长的，那末在这个空间中的运动也同样会是无限的吗？也就是说，是永恒的吗？”
　　辛：“我看是这样．”
　　在这段对话中，伽利略通过理想实验，使亚里士多德的代言人不得不承认，一种非天然运动竟不需要外力，也能继续不断地运动下去．伽利略还在《关于动力学和局部运动这两种科学的对话》一书中写道：“我们可以进而提出任何速度一旦施加给一个运动着的物体，只要除去加速或减速的外因，此速度就可以保持不变，不过这是只能在水平面上发生的一种情形，因为在向下倾斜的平面上已经存在一种加速因素，而在向上倾斜的平面上则有一减速因素．由此可见在水平面上的运动是永久的，因为，如果速度是匀速的，它就不能减小或缓慢下来，更不会停止．”伽利略的这些叙述明确地提出了“惯性原理．”
　　伽利略的惯性原理的结论是作了大量观察和实验推理得到的．因为任何实际运动是不可能把所有外界影响都消除掉的，所以单凭实际观察是不可能作出“维持运动不需外力”的结论，还必须运用推理，即对实际的运动加以理想化，正是根据理想的实验，伽利略得出了他的正确结论，把实验和理论分析相结合，从复杂的实际现象中抽象出最简单最本质的理想情况加以分析，从而得出对自然规律的正确认识，这是伽利略方法的突出特点，也是他能在科学上作出超越前人贡献的基本原因．对于这一点爱因斯坦曾说过：“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端．”（《物理学的进化》第3页）他还说：“伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点，而用新的观点来代替它，这就是伽利略发现的重要意义．”（《物理学的进化》第5页）
　　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，尽管他明确地指出了在无摩擦无边际的水平平面上运动将是永恒的匀速直线运动，但在其他地方，特别是在较早出版的《对话》一书中，他却一再强调均匀圆运动才可能是天然的和永恒的．他说他同意亚里士多德的那些结论，承认世界上是一个具有三度空间的体系，因此是最完善的．由于世界是最完善的，它就必然是秩序井然的．“为了维持宇宙各部分的完善秩序，那就必需说运动的物体只能沿圆周运动，如果有什么不沿着圆周运动的物体，那它就必然是不动的．这就是说，只有静止和圆周运动适宜于维持秩序．”所以显然在这里伽利略所说的平面是指各部分和地心等距离的水平面而不是空间的一条直线．
　　法国的哲学家笛卡儿（1596�1650年）在阐明运动量守恒规律时提出：“运动的本质是，如果物体处在运动之中，那么如无其他原因的作用的话，它将继续以同一速度在同一直线方向上运动，既不停下来也不偏离原来的方向．”这为人们最终获得惯性定律搭好了跳板，在笛卡儿看来惯性是忍受外界作用的能力，但笛卡儿曾猜想惯性是可变的，即速度不同惯性也不同，这是他的失误．
　　英国物理学家数学家、经典物理的奠基人牛顿（1642�1727年）在前人的研究基础上于1687年发表了历史巨著《自然哲学的数学原理》中对力学的几个基本概念下定义，其中定义3：“物质的惰性力或固有力是一种反抗的能力，由于这种力，任何物体都要保持其静止的或匀速直线运动状态的现状．”对此定义牛顿又作了如下的说明：“由于物质的惰性，物体要脱离其静止状态或运动状态是困难的，基于这种考虑，这种表示惰性的力可以用一个最确切的名称，叫惯性力．”惯性作为一个物体在运动中表现出来的固有的或天然的属性名称一直沿用到今天，这是牛顿首先提出的．牛顿还认为：“这种力总是与具有该力的物体成正比．”这句话在现代教科书上通常写成：一个物体的质量是它的惯性大小的量度，质量大的物体惯性大．
　　牛顿继续在“原理”中提出了运动三定律，冠以首位的是：定律1：“每个物体都要继续保持它的静止状态或沿着笔直的直线和匀速运动的状态．除非对它施加外力，以迫使它改变这种状态．”这个定律揭示了任何物体都具有一种保持其原来运动状态的特性即惯性，当物体不受力时，它处于静止匀速直线运动状态，体现了它保持原来运动状态的特性，当物体受到外力作用时，惯性会对运动状态的改变进行反抗，这时这种特性就明显表示出来．所以惯性的正确认识和惯性定律的建立最终应该归于牛顿，因此牛顿第一定律又被称为惯性定律．
　　牛顿第一定律（惯性定律）的建立，具有深刻的哲学意义，它告诉人们惯性是所有物体具有的本性，打破了地上运动和宇宙空间运动的人为界限，统一了宏观与微观的运动，并提出了处理任何运动的单一模式．由此出发可顺利研究物体运动状态改变的原因，它是第二、第三定律的基础．
　　人类对于惯性的认识从亚里士多德到伽利略再一直至牛顿，经历了2000多年无数个有名无名的科学家的探索才逐渐趋向完美，而其中对伽利略的用理想实验的思想方法给人以深刻的启迪，这段历史对每个学习物理并愿通向成功之路者是最好的借鉴．
三、惯性参考系

        牛顿第一定律和牛顿第二定律都能成立的参考系。简称惯性系。并非在所有的参考系中这两定律都成立，例如在自由下落的参考系中，可看到地球加速上升；在绕轴转动的参考系中，可看到地球反向转动，这些现象显然违背了牛顿第一、第二定律。地球既有自转又有绕太阳的公转，严格地说，以地面上任一点为原点的参考系，都不是惯性参考系，但因这些点的加速度很小 （  自转加速度在赤道上只有  0.034米 ／ 秒2  ，其他地方更小；公转的向心加速度只有0.006米／秒2 ） ，一般仍可视为惯性系。在地面上生活的人们，也丝毫感觉不到地球在动，虽然地球的自转和公转的线速度都大得惊人。中国古代的学者早就发现这问题，约1800年前编成的《尚书纬·考灵曜》中，就写有“地常动移而人不知，譬如人在大舟中闭舱而坐，舟行不觉也。”西欧直到1632年伽利略的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中，才提到船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，则在密闭的船舱中，小虫向各方面飞行，水滴从舱顶落向舱底，人并脚上跳，都将和静止时一样，不能从其中任何一个现象确定船在运动还是静止，从而伽利略总结出经典力学的重要规律，即不论进行怎样的力学实验，都不能判断一个惯性系处于静止状态还是在作匀速运动。这条原理称伽利略相对性原理。对任一惯性系作匀速运动的参考系都是惯性系；对惯性系作加速运动或转动的参考系，牛顿运动定律就不能成立，称为非惯性参考系，简称非惯性系。要使牛顿运动定律仍能在非惯性系中成立，就须给非惯性系中的物体附加一个惯性力。这个力从惯性系角度来看是虚拟的，既没有施力的物体，更不存在反作用，只是为了计算方便而添加的；但就非惯性系角度来看，尽管这个力没有反作用力，但它像真实的力那样起作用，惯性力包括离心力和科里奥利力。
       伽利略的相对性原理也可解释为一切惯性系都是等价的。尽管物体的动量、动能在不同惯性系中有完全不同的值，但动量定理、动能定理、动量守恒（见动量守恒定律）乃至一定条件下的机械能守恒（见机械能守恒定律）在一切惯性系中都成立。这个相对性原理在经典力学中的成功使物理学家相信，任何物理现象及其规律都应遵循这条原理。但在19世纪发现并非全是如此，A.爱因斯坦在1905年发表的《论动体的电动力学》中指出：大家知道，麦克斯韦电动力学——像通常为人们所理解那样——应用到运动的物体上时，就要引起一些不对称，而这种不对称似乎不是现象所固有的。比如设想一个磁体同一个导体之间的电动力的相互作用。在这里，可观察到的现象只同导体和磁体的相对运动有关，可是按照通常的看法，这两个物体中究竟是这个在运动还是那个在运动，却是截然不同的两回事。如果是磁体在运动，导体静止着，那末在磁体附近就会出现一个具有一定能量的电场，它在导体各部分所在的地方产生一股电流。但是如果磁体是静止的，而导体在运动，那末磁体附近就没有电场，可是在导体中却有一电动势，这种电动势本身虽然并不相当于能量，但是它——假定这里所考虑的两种情况中的相对运动是对等的——却会引起电流。这种电流的大小和途径都同前一情况中有电力所产生的一样。从这类例子和证明地球相对以太运动的实验的失败，使爱因斯坦放弃旧的时空观，而以新的时空观解决了上述“不对称”的问题。在伽利略相对性原理的基础上建立了爱因斯坦相对性原理，使惯性参考系展现出更为辉煌的光彩。