——对现行物理教科书的若干质疑

上海金标软件有限公司   费邦镜   20200219

“惯性”是一个非常重要的基本概念，然而，我们对“惯性”的认知却并不透彻——

中科院理论物理所郭汉英研究员指出：“作为一个理论体系，牛顿理论并没有完成……惯性在牛顿体系中起着核心作用，其起源却无法解决。”^[1]

北师大赵峥教授也感到迷惑：“想不到这样一个人人都可以做的、看似毫不起眼的水桶实验，竟然隐含着至今尚未解决的物理学基本问题——惯性效应的根源究竟是什么”？^[2]

被公认为爱因斯坦之后最睿智的理论物理学>家费曼则哀叹：“为什么它（惯性运动）能保持直线运动？我们不知道。”^[3]①

尽管如此，现行教科书对“惯性”的定义却毫不含糊——

程守洙的《普通物理学》定义：“所谓惯性，就是物体所具有的保持其原有运动状态不变的特性。”^[4]

郑永令的《力学》定义：“第一定律指出，每个物体在不受外力时都有‘保持静止或沿一直线作等速运动的状态’的属性，这就是惯性。” ^[5]①

朱鋐雄在《物理学思想概论》中概括：“惯性是物体的固有属性，而不是一种力。”^[6]

然而，牛顿对“惯性”的定义却并非如此！

牛顿对“惯性”的认知，是从他对“力”的研究开始的。

据中科院自然科学史研究所阎康年研究员考证，牛顿“在1668年左右写的《论流体的重力和平衡》中，他基本上采用了伽利略对力下的定义：力是‘运动或静止的原因’。牛顿这时的力的定义为：‘力是运动和静止的原因，或者是加在某一物体上的外因，产生或破坏它的运动……；或者力是内因，物体的运动或静止由这个内因而保持下来。’”^[7]

又经过了20年的研究，在1687年出版的《原理》中，牛顿进一步完善了“力的定义”——力有两种，一种是惯性（惯性力），另一种是外力，并分别用“定义3”和“定义4”进行了明确的定义：

【定义3  vis insita ，或物质固有的力，是一种起抵抗作用的力，它存在于每一物体当中，大小与该物体相当，并使之保持其现有的状态，或是静止，或是匀速直线运动。……这个固有的力可以用最恰当不过的名称，惯性或惯性力来称呼它。

定义4  外力是一种对物体的推动作用，使其改变静止或匀速直线运动的状态。】^[8]

因此，历史地、系统地看待牛顿对“力”的认识，应该可以断言，按牛顿的本义，惯性也是一种力！惯性又叫做惯性力！

尽管这个断言与现行教科书的观点相悖，但它与爱因斯坦对“惯性”的认知却高度吻合——爱因斯坦早就不容争辩地指出：【我之所以选择马赫原理这个名称，是因为这个原理推广了马赫的断言，即认为惯性必须归结为物体之间的相互作用。】^[9]①

既然牛顿和爱因斯坦都不认为“惯性是物体的固有属性”，那为什么现行的教科书非要说“惯性是物体的固有属性”呢？

料想，这可能是为了避开以下两个难题：

难题1）如果惯性也是一种力，那为什么找不到惯性或惯性力的“施力物”呢？

难题2）如果惯性也是一种力，那为什么物体在这个力的作用下不会产生“加速度”，反而保持“惯性运动”状态不变呢？

普遍认为，这是两个“无解”的难题！……其实不然。

“自然运动”，在古代是一个被广泛注意并做了很多研究的课题。清华郭奕玲教授在《物理学史》中指出，两千多年前亚里士多德就“把运动分为自然运动和强迫运动：重物下落是自然运动，天上星辰围绕地心做圆周运动也是自然运动。”^[10] 亚里士多德定义：“被自身推动的运动者是自然地运动的。”^[11]

按亚里士多德的上述思想，我们可以认为，“自然运动”实际上就是由“万有引力”所引起的运动。

那么，在牛顿发现万有引力“之前”，（注意，是“之前”）这些“自然运动”当然都只能被认为是“被自身推动的”。这个“自身推动力”，应该也就是牛顿所谓的“物质固有的力”——“惯性”或“惯性力”。

在“万有引力”被牛顿发现之后，惯性——这个旧的称谓——却未能被清除干净，在有些地方被沿用了下来。因此可以推断：惯性或惯性力，其实就是万有引力！

支撑这个推断的论据是强有力的：

1）符合牛顿一贯坚持的“惯性也是一种力”的思想；

2）符合马赫和爱因斯坦的观点：“惯性必须归结为物体之间的相互作用”；

3）具有非常厚实的实验基础——至今的一切实验都证明了惯性质量等于引力质量，爱因斯坦由此强调：【惯性质量和引力质量在数量上的相等必须追踪到本质上的相同。】^[9]② 北师大赵峥教授也由此认为：“比较自然的理解是，引力质量和惯性质量可能是同一个东西。”^[2] 那么，引力和惯性，当然也可能是同一个东西。

4）爱因斯坦指出：【等效原理与惯性质量等价于引力质量这个定律是密切相关的，……正是通过这一概念，我们实现了惯性与引力本质的统一。】^[12] 既然爱因斯坦的“等效原理”已被普遍接受，那么，“惯性就是万有引力”就更应该被接受——因为等效原理只在时空一点的无穷小邻域才能成立，^[2] 显得非常牵强，而“惯性就是万有引力”却没有这个限制。根据奥卡姆剃刀原则，“惯性就是万有引力”这个推断，当然比“等效原理”更应该被接受！

可见，“惯性或惯性力就是万有引力”这个推断，具有推理和实验两方面的强有力支撑。

对此，有人提出了一个质疑：

几乎所有的教科书都告诉我们，“惯性力”是虚拟力，若“惯性或惯性力就是万有引力”，那么，难道惯性或万有引力也是虚拟的吗？

“虚拟力”不是固有的，对于观察者A而言，根本没有虚拟力；需要假想出虚拟力的仅仅是观察者B。

不仅在研究平移时，有时需要假想出虚拟力；在研究转动时，有时为了让牛顿定律有效，也需要假想出“离心力”、“科里奥利力”这类虚拟力。

关于虚拟力，唯有《费恩曼物理学讲义》没有把虚拟力称为惯性力！该讲义把“只是由于观察者不具备牛顿坐标系”所出现的虚拟力称为“赝力”；也没有把虚拟的“离心力”说成“惯性离心力”。^[3]②

而大部分教科书，则把惯性力说成是虚拟力——“在非惯性系中，为了在形式上用牛顿定律解释物体的运动而引进的虚拟力常称为惯性力。”^[5]②

把惯性力说成是虚拟力，应该是错误的！

因为，牛顿早已对“惯性力”有了明确的定义：【定义3  vis insita ，或物质固有的力，是一种起抵抗作用的力，……可以用最恰当不过的名称，惯性或惯性力来称呼它。】

教科书否定了牛顿的这个定义，却未见任何教科书给出过什么理由。

可能，就是因为我们300多年来一直没能找到“惯性力”的“施力物”，而“虚拟力”恰恰正是没有“施力物”的，这才导致了许多人都把“惯性力”误解为“虚拟力”吧。

我们在前面已雄辩地论证了“惯性或惯性力就是万有引力”，如此，惯性力既有施力物，也有反作用力，惯性力怎么可能是虚拟力呢？

至此，我们已完美地破解了难题1。

然而，如果“惯性”确是“万有引力”，那么，为什么物体在这个“力”的作用下不会产生“加速度”，反而保持“惯性运动”状态不变呢？这个难题2，似乎比难题1更难破解。

如何破解它，请关注下一问——“惯性运动”是指“匀速直线运动”吗？

[1] 郭汉英，杂文选集[M]，广西师范大学出版社，2013：10

[2] 赵峥、刘文彪，广义相对论基础[M]，清华大学出版社，2012：10～13

[4] 程守洙、江之永，普通物理学[M]，第六版，高等教育出版社，2006：32～33

[5] 郑永令、贾起民、方小敏，力学[M]，第二版，高等教育出版社，2002：①55、②82

[6] 朱鋐雄，物理学思想概论[M]，清华大学出版社，2009：17

[7] 阎康年，牛顿的科学发现与科学思想[M]，湖南教育出版社，1989：154

[8] 牛顿，自然哲学之数学原理[M]，北京大学出版社，王克迪译，2006：1～8

[9] A.爱因斯坦，爱因斯坦全集（第七卷）[M]，湖南科学技术出版社，邹振隆 主译， 2009：①34、

②333

[10] 郭奕玲、沈慧君，物理学史[M]，第2版，清华大学出版社，2009：13

[11] 亚里士多德，物理学[M]，商务印书馆，张竹明 译，1982：229

[12] 爱因斯坦，相对论的意义[M]，上海科技教育出版社，郝建纲、刘道军 译，2005：62