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牛顿力学体系包含着大量公理与定律，其目的在于说明物体的运动以及物体之间的相互作用。从自然哲学的角度讲，物体的运动就是物质在空间中的位移与时间中的延续，即物质在确定的时间内移动了确定的空间位置，物理“三要素”或“三量纲”全部被“运动”所表现。要研究运动，就必须弄清运动的对偶概念-------静止，不首先确定静止坐标，就无法用数学原理来描述运动的量值，因此，对静止与类静止（匀速直线运动）的界定，就成了牛顿首先要完成的任务。 在《自然哲学的数学原理•定律》中，牛顿是这样来描述静止与匀速直线运动的：“每个物体继续保持其静止或沿一直线作等速运动的状态，除非有力加于其上迫使它改变这种状态。”现在的物理教科书往往这样表述牛顿第一运动定律：“任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，直到其它物体的作用迫使它改变这种状态为止。”或者表述为：“如果物体没有受到别的物体的作用（外力），那么，这个物体就保持自己的静止或匀速直线运动状态不变。” 牛顿第一运动定律主要要说清运动与静止，惯性与力这两层关系，就运动与静止的关系来看，第一运动定律就是一种“参照系”定律，只有首先确定了一个静止的或作匀速直线运动的目标体，才能去研究相邻物体的各种运动。在牛顿力学体系中，我们一般把地球、太阳与恒星天球看成是静止不动的参照系，如果以地球几何中心为静止坐标，那么地球周围物体的运动就可以被数学描述了。在研究天体运动时，人们往往选择太阳与恒星天球为静止坐标。静止参照系又叫静系、惯性系、惯性坐标系、惯性参考系等，与之对应的概念称为动系、非惯性系、加速系、非惯性参照系等。就牛顿力学定律而言，它在静系或惯性系中是通用的，超出其空间范围之后在计算上变得相当复杂，但不失效。 牛顿第一运动定律又是一种“惯性定律”，它指出物体有保持静止与匀速直线运动状态不变的性质，也就是物体有一种抵抗外力迫使它运动的性质，牛顿称这种性质是物体固有的惰性，拉丁原文为inertiα，该词可以译为迟钝性、倔强性、固执性等，现在把它译为惯性，固“惯性定律”也可称为“惰性定律”。这种惰性表现为积极与消极两个方面，当外力要一个静止的物体运动时，它偏偏犟着不动，当外力要一个正处于匀速直线运动状态的物体静止时，它偏偏犟着不静，总是抵抗外加的意志而守护自己的原有运动状态。 人们之所以把牛顿第一运动定律称为“惯性定律”，还与牛顿对“惯性”所下的定义（见前章第四节）有关，这一定义与牛顿第一运动定律的表述是基本一致的，请看牛顿对其“惯性定义”所加的注释： “这种力总是同具有这种力的物质的量成正比的，它和物质的惰性没有什么差异，只是说法上不同而已。一个物体，由于其物质的惰性，要改变它的静止或运动状态就极其不易。因此，这种固有的力可以用一个最确切的名称‘惯性’或‘惰性力’来称呼它。但是，一个物体只有当别的力加于其上而迫使它改变其原来状态时，才显示出这种力。” 作为牛顿力学体系而言，惯性与第一运动定律是至关重要的，如果不对静止与类静止（匀速直线运动）作明确的规定，运动的量值将无法被确定，也就没有办法把伽利略创立的运动学进一步数学化。如果没有对物体惯性性质的准确描述，那么物体相互作用力的大小将是不可量化的。如果不能量化力的大小，手拿数学工具的牛顿将无法在力学领域施展才能，也就不会出现一个完整的牛顿力学体系。 然而，从逻辑学的角度来看，牛顿第一运动定律是不完备的（见图二十三），甚至是不合逻辑的，其理由有三： 一、静止的物体并非未受到别的物体的作用。如地面静止不动的物体，仍然受着地球引力的作用。即“如果物体受到别的物体的作用（外力），那么，这个物体也可保持自己的静止状态。”这就同牛顿第一运动定律发生矛盾，导致两个相反的命题同时成立。 二、匀速直线运动的物体并非未受到别的物体的作用。如海上匀速行驶的帆船，除受着地球引力、风力的作用外，还受海水的阻力作用。即“如果物体受到别的物体的作用（外力），那么，这个物体也可保持匀速直线运动状态。”这也同牛顿第一运动定律相矛盾，但这两个相互矛盾的命题却同时成立。 三、宇航舱中失重静止的宇航员并非未受到别的物体的作用。宇航员虽然静止在宇航舱中，但他同时受到了地球引力与轨道离心力的作用。又如绕日匀速公转的行星，除受太阳引力作用外，还受自身轨道离心力的作用。即“如果物体受到别的物体的作用（外力），那么，这个物体也可保持静止或匀速圆周运动状态。” 图二十三：惯性定律的逻辑错位 在2002年全国普通高校招生考试中，就有简述牛顿第一运动定律一题，因本人在1998年版的《宇宙大揭秘》一书中即指出过“惯性定律”的这些逻辑问题，曾受笔者“不良影响”的同学这样答到：“如果物体没有受到别的物体的作用或合外力为零，那么这个物体就保持自己的静止或匀速直线运动状态不变。”针对要不要加上“合外力为零”这5个字，老师们还展开过一场讨论，一些网友的争论还相当激烈。 若是按现在的教材，加“合外力为零”肯定是画蛇添足，此类考生的得分必然是零。可按我手头的一本老教材（《大学物理学》美F．W．Sears等著，郭泰运等译，人民教育出版社1979）来判分，却应该得满分。该书第27页上就作了明确的解释：“合力为零就相当于没有任何力的作用。”要判画蛇添足的话，那就是这些教材最先添的足，而且添这个足是十分必要的。当然，“合力为零”不能等于“没有任何力的作用”，而恰恰是先有了许多外力的作用，才使其合外力在数学上为零。 加上“合外力为零”后，牛顿第一运动定律的逻辑漏洞似乎补严了，可新的逻辑问题也随之而来。1、合外力为不为零是牛顿第三定律才能证明的问题，把第三定律证出的结果拿到前面来证第一定律，明显带有循环论证的嫌疑。2、合外力是否为零，还是要首先确定这些外力的矢量大小，这就必须确定出它们的“惯性系”，你连“惯性定律”都没证出来，怎么去确定它们的惯性系呢？没确定惯性系，你怎么知道这些外力矢量的大小呢？不知其大小，合力为零又从何而来？ 由于宇宙间的一切天体都在围绕各自的引力中心作曲线运动，宇宙中找不到任何绝对静止或长期作匀速直线运动的物体，因而第一运动定律根本确定不出一个绝对标准且宇宙通用的参照系，最后只能让人得出一种结论，即牛顿第一运动定律是一项“设定”、“假定”或“规定”，是牛顿为了把数学原理引入自然哲学而人为制定的“纪律”，它与物质世界的真实状况无关。 另外，物体能否处于设定的静止或匀速直线运动状态，同是否受到别的物体的作用（外力）无关，即同“外力”无关，外力可以使物体保持静止或作匀速直线运动，也可以使物体作加速或减速运动。看来，牛顿用了两个互无必然因果关系的概念，即用另一物体的作用（外力）来描述特定物体的时空特性（静止与运动）。由于被描述的特定物体只有一个，而作用于它的“别的物体”（外力）或参照系是无穷多样的，用“无穷”来限定“单一”，必然会把“单一”变为“无穷”，最后是什么也没被限定，什么也没被说明，牛顿的第一运动定律是答非所问、定非所定的病态定律。 与此相关的惯性定义也是如此，人们只知道物体有这种“惰性力”，但并不知道物体为什么会有这种“惰性力”，惯性的本质与起源问题没有得到理论的说明，人们对它只知其有，而不知其所以有。正因为牛顿力学体系没有对惯性问题作出原理性说明，才导致了后牛顿时代围绕惯性定律的长期争论，直到今天还是没有争出任何可以信赖的结果。 《大推动-------经典物理重建与牛顿力学批判》雷元星著； 第二章：牛顿力学的危机；八、牛顿第一运动定律是病态定律； 《大推动》雷元星先生著，四川科学技术出版社2003年12月出版。 ************************************************************************ 隆重再次推出反伪求真惊世新型科普文著 http://bbs17.xilu.com/cgi-bin/bbs/view?forum=puqingsong&message=62 ************************************************************************ |