如何理解惯性问题，是物理学的大问题

导读：惯性成因至今是个谜题，没有实验可以验证。

“伽利略变换”是一个被物理学家熟知的词。该理论认为：一切彼此做匀速直线运动的惯性系，对于描写机械运动的力学规律来说是完全等价的。或者说一个惯性系保持相对静止或相对匀速直线运动状态的参考系也是惯性系。且在一个惯性系内部所作的任何力学实验都不能够确定这一惯性系本身的运动状态。举一个例子，在一辆匀速行驶的火车上，人们看不到外面的情况，乘客能根据火车里的情况分辨出这火车是静止还是匀速直线运动的么？相信我，是不能的！所以很明显火车里做的一切力学实验，都跟在静止的火车里没有任何区别。

也就是说，我们根本无法通过力学实验区分这火车是静止的还是匀速直线运动的，这就是伽利略的相对性原理。后面还会提到这个原理。

值得一提的是，我们认为在宇宙中并不存在真实的惯性系。惯性系是我们基于客观延伸的产物。在惯性系中，物体不受外力时，总保持匀速直线运动或静止状态。试问，可以找到不受外力影响的物质或者参考系吗？显然由于万有引力等因素，这样的惯性系和物质是找不到的。所以说真实的惯性系是不存在的。

所以爱因斯坦曾指出牛顿第一定律【任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。】有循环论证嫌疑。

后来朗道在《场论》给出了惯性系定义 ：牛顿第一定律成立的参照系叫做惯性系。 这一定义使我相信，牛顿第一定律本身字面上没有循环论证的问题，但是在寻找惯性系的时候，它会出现这个问题。论证循环出现在定义惯性系需要依赖不受外力这个概念，定义不受外力又要依赖惯性系，这就是典型的循环论证。

客观来说，惯性成因至今是个谜题
事实上我们周围的环境都是非惯性参考系，可是为什么会用惯性系来描述运动方程。原因是在这个系统里描述运动方程更简单，更方便。

具体解释是在空间中，相对于任何参考点（静止中或移动中），运动中的粒子的位移、速度和加速度都可以测量计算而求得。虽然如此，经典力学假定有一组特别的参考系。在这组特别的参考系内，大自然的力学定律呈现出比较简洁的形式，称这些特别的参考系为惯性参考系（惯性系）。

惯性系有个特性：两个惯性系之间的相对速度必是常数；相对于一个惯性系，任何非惯性参考系（非惯性系）必定呈加速度运动。所以，一个净外力是零的点粒子在任何惯性参考系内测量出的速度必定是常数；只有在净外力非零的状况下，才会有点粒子加速度运动。因为万有引力的存在，并无任何方法能够保证找到净外力为零的惯性系。

事实上，可以将惯性系看作是非惯性系的特殊情况。现实宇宙中非惯性系可以无限地接近惯性系，但是永远不会成功。所以说惯性系是基于客观的宇宙环境而推得的，基于此建立的物理大厦，也就不是空中楼阁。

谈到这里，我们就不可避免地要谈到惯性【惯性即物体保持运动状态不变的性质】。惯性和惯性系是两个概念。惯性被认为是物质固有的属性。无论是固体、液体或气体，无论物体是运动还是静止，都具有惯性。一切物体都具有惯性。且惯性的大小只与物体的质量有关。质量大的物体运动状态相对难于改变，也就是惯性大；质量小的物体运动状态相对容易改变，也就是惯性小。

艾萨克·牛顿在巨著《自然哲学的数学原理》里定义惯性为：惯性是物质固有的力，是一种抵抗的现象，它存在于每一物体当中，大小与该物体相当，并尽量使其保持现有的状态，不论是静止状态，或是匀速直线运动状态。

而惯性系是一个描述运动的参考系统。【牛顿第一定律成立的参照系叫做惯性系】

还有惯性和惯性定律也不是一回事。惯性是物质本身的属性，我在上面已经说了。而惯性定律描述的是运动和力的关系。即这种关系表明了：力不是维持物体运动的原因，力是改变物体运动状态的因素。

我们都知道了，惯性是物质的固有属性，惯性的大小只于物体质量大小有关，与运动状态无关。

在这里要引出另一个物质固有的属性——万有引力【任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力大小与它们质量的乘积成正比与它们距离的平方成反比，与两物体的化学组成和其间介质种类无关。】 它的公式是：F=(G×M1×M2)/R²。我们可以从中看出万有引力只与物体质量和物体间的距离有关。

大家应该已经看出来了，质量对于惯性和引力是根本的。所以在这里又要引出惯性质量和引力质量。

首先对于惯性认识的一个重要进展是惯性与能量的关系。

阿尔伯特·爱因斯坦于1905年在论文《论动体的电动力学》里提出的狭义相对论，这是一个崭新的物理理论，是建立于上面所说伽利略与牛顿研究出来的惯性与惯性参考系。它统一了力学理论和电磁学理论，带来了时空观的根本变革。

爱因斯坦随后证明质能关系：E=mc²，一定的质量对应于一定的能量，反之一定的能量对应一定的质量。

在这里，能量包括了能量的各种形式，突破了上面把某一种形式的能量与惯性联系起来的认识。这样惯性是能量的属性，能量具有惯性（质量），任何惯性质量都应归因于能量。作为物理学基本概念和物质的量的质量概念退居次要的地位，如今在近代物理中能量、动量等概念要比质量、力等概念要重要得多。

尽管这划时代的理论实际地改变了许多牛顿概念，像质量、能量，那时候，爱因斯坦的惯性概念与牛顿的原本概念没有任何差异。实际而言，整个理论是建立于牛顿的惯性定义。但这也使得狭义相对论的相对性原理只能应用于惯性参考系。在这种参考系里，不受外力的物体，必定保持其静止或匀速直线运动状态。

客观来说，惯性成因至今是个谜题
为了处理这样的局限，爱因斯坦于1916年发表论文《广义相对论的基础》。这理论能够应用于非惯性参考系。但是，为了达到这目的，爱因斯坦发觉，他必须使用到弯曲时空的新概念，而不是传统的牛顿力的概念，来重新定义几个基础概念（例如引力）。

狭义相对论的另一个深奥的结果是，能量与质量不是互不相干的物理属性，而是可互相转换的。这崭新关系也给予惯性概念新的内涵。狭义相对论的逻辑结果是，假若质量遵守惯性原理，则能量必也遵守惯性原理。对于很多状况，这理论大大地拓宽了惯性的定义，能够应用于物质与能量。

能量具有惯性拓宽了我们对于惯性的认识，也拓宽了我们对于能量的认识。它带来的重大实用价值就是核能的释放。在裂变反应中，裂变产物的静质量小于裂变前物质的静质量，质量亏损释放出大量裂变能；在聚变反应中，聚变产物的净质量小于聚变前物质的净质量，质量亏损释放出大量的聚变能。它也使得人们很好地认识许多物理现象，包括涉及物质的全部质量与能量转化的正反粒子对的产生和湮没过程。

我们知道，惯性质量是物体惯性的量度，反映物体对加速度的阻抗，而引力质量是物体引力属性的量度，反映物体产生和承受引力的能力。它们似乎是物质的两种完全不同的属性，那么描述物质两种不同性质的量是否严格相等是一个问题。

可是为什么在上面要提出能量呢？因为能量是质量的时空分布变化程度的度量,用来表征物理系统做功的本领。能量以多种不同的形式存在；按照物质的不同运动形式分类，能量可分为机械能、化学能、热能、电能、辐射能、核能、光能、潮汐能等。这些不同形式的能量之间可以通过物理效应或化学反应而相互转化。而各种场也具有能量。它是对物质宇宙是普遍适用的一个词。而惯性，引力也是普遍适用的。

现在我们知道惯性质量和引力质量相等是一条严格的定律。原来牛顿力学中无法说明的惯性质量与引力质量相等不再是游离于物理学之外的一个普遍事实，而是成为广义相对论的基石。爱因斯坦找到了这块基石，并由此发展了广义相对论，这是爱因斯坦独具慧眼、超群绝伦的伟大贡献。

惯性这个问题已经成为困扰现代物理学者的难题，虽然拥有伟人牛顿经典理论。但在科技时代出现许许多多的现象用以前的理论是无法解释的。这也是现代物理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，所以无奈地把相对论分成广义的和狭义的。他本人也一直被这个问题困扰，并且致力于寻找宇宙统一的“力。” 即将引力，电磁力，强作用力，弱作用力，这四种宇宙基本力，纳入到“一个系统。”但是终其一生，也没有成功。

但是他一生的追求，一生对于探索的事业的执着，令我们动容！我很喜欢爱因斯坦的一句话：“想象力比知识更重要！”

所以斗胆想象世界和宇宙是什么样是好奇。那么思考曾经困扰牛顿，爱因斯坦的惯性问题，即使在当下也是不过时的。而且是至关重要的。因为我们如果对“根基”理解不深，那么如何能够深刻揭示宇宙规律呢？

惯性和引力被我们认为是完全不同的两种物理属性，但是它们之间既然存在着普遍的、严格的正比关系，是否有可能它们不过是物体同一本质在不同方面的表现呢？这一问题的回答是肯定的。

这个结论成功地经受了十分精确的实验检验。

这类实验经历了三百年的历史，直到目前尚在进行中．从牛顿时代的精确度为10-3发展到1922年爱德维斯提高到3×10-9。到1964年狄克把精确度提高到（1.3±1.0）×10-11，1971年，勃莱根许和佩诺又将实验的精确度提高到10-12数量级。所有这些实验，统统均证实了等于常数。

因此，目前普遍认为物体的两种不同属性——惯性和引力，是它的同一本质的不同方面的表现。也就是说，物体的惯性和引力性质导源于物体的同一本质。

爱因斯坦就曾把这两种质量的等同作为他建立广义相对论的出发点。故从现代物理学看来，这两者的等同绝非偶然，其中包含着深刻的物理意义。那就很显然了，困扰众多物理学家的问题是这两者究竟有什么深刻的物理意义？

答案是：引力是惯性的源泉！该如何解释这句话呢？无论是哲学还是物理都必须“精确”地解释。

上面我们讨论了惯性系。在现实宇宙中找不到惯性系，无论从全局宇宙还是局部空间来说都是。

而我以为问题本身恰恰就是答案。我们不能在宇宙中找到一个真实的惯性系。而引力质量又与惯性质量严格相等，这是公认的。但这绝不是巧合。所以解释惯性系的答案还是引力，必须是引力。当然最根本的东西还是物质,物质时空。因为物质具有引力，因为物质时空产生引力。

也就是说时空的引力才使得物质具有惯性，这就是我的观点。这样为什么在宇宙中找不到惯性系的问题就解决了，因为引力。牛顿第一定律也就没有循环论证的嫌疑了，因为根找到了。

引力如何使得物质具有惯性？是我要接下来要分析的。这时候我要引出另一个大家熟悉的关键词——引力场。

我们知道任一物体在空间任一点的引力影响用一个表示该点引力强度来代表。严格讲，一个物体的引力场可以延伸到整个宇宙，但实际上它的影响只在它的近邻区域才是显著的。这点通过万有引力公式便可以看出。

也就是说一个物体，它受到四面八方的万有引力的影响，处于密集的不均匀的引力场中。而这个引力场显然是由宇宙中的四面八方的物质所产生的。正是这样的引力场，使得物体具有保持原来运动状态的性质，即我们所说的惯性。而且物质质量越大，保持这样的运动状态的能力就越强。这与质量越大引力越大不谋而合。

而要改变物体的运动状态，必须克服惯性。准确的说是克服引力场惯性。而物体的运动状态改变后，便会处于“新的”引力场中，“新的”引力场依然有保持它继续处于当前运动状态的性质。我们可以把这样的情况称之为：引力场均衡。

而且我将同一个物体的相对静止“引力场均衡”转变为相对运动的“引力场均衡”的转换速度定为光速。也就是说引力作用的速度是光速！

而且物体的运动不是绝对空间中的绝对运动，而是相对于宇宙中其他物质的相对运动，因而不仅速度是相对的，加速度也是相对的；在惯性系和非惯性系中物体所具有的惯性是一种宇宙物质引力场的表现，即是宇宙中其他物质对该物体的作用；所以物体的惯性不是物体自身的属性，而是宇宙物质空间产生的引力场作用的结果。但与物体的质量有关，引力场是根据物体的质量“智能”作用物体的。这就是为什么惯性质量与引力质量是严格相等的原因。

也可以这样表述：惯性是物体自身的属性【物质与时空是一体的】的延伸，与物体本身不可分。但是本质是物体引力的作用。假设引力消失，那么惯性将不复存在！显然这是不可能出现的情况。

马赫是第一个批评牛顿的经典力学时空观的人，而爱因斯坦正是吸取了马赫原理的精辟理论，创立了广义相对论。马赫强调了宇宙物质的整体对于惯性的作用，却忽略了物体本身，以及惯性与引力的关系，这将导致惯性作用的超距情况。但他的观点很先进。

事实上牛顿是将惯性看作物体的内禀属性；而马赫则认为惯性是宇宙物质整体作用于物质的结果。而爱因斯坦赞同了马赫的关于惯性的认识。那么应该是这样的，马赫批评了牛顿的绝对时空，那么就应该想到了物质作用的传递速度是有限的，不该是牛顿认为的超距作用。

我在网络上看到一个叫殷业的大学生的论文《马赫原理及其物理模型》中赞同马赫的这种观点。他写道：如果惯性与近场宇宙物质有关，近场宇宙物质又是不停运动的，也就是分布是变化的，如太阳相对地球上的物体，一年四季太阳到地球的距离变化很大。在冥王星上，近日点和远日点要差1.68倍，所以必然得出惯性是变化的，但我们一般认为如果物体相对惯性参照系静止，则相对于该参照系的惯性是不变的，这就产生了矛盾，所以惯性只能与遥远宇宙物质有关。

如果惯性只看作远场宇宙物质的话，反而大错了。远距离传递的滞后性，于我们现在所观测到惯性现象严重不符。这样滞后性表现在相对于一个物体的运动状态的改变，物体抵抗运动状态的改变是立刻体现的，而远场宇宙物质考虑到传递速度有限则不能。如果不考虑传递速度，那么又回到了牛顿的超距作用，这与之前的马赫批判矛盾。那么该大学生到底是支持牛顿呢，还是支持马赫呢？

而作者在上面所说矛盾，恰恰应该是支持了引力是惯性源泉的论点，也是惯性质量严格相等于引力质量的原因。

其实上面作者的问题，可以转化为地球表面的情况。比如地球表面100KG的物体，在不同纬度，所受到的引力不同，重力加速度就会有小波动。也就是说考虑引力不仅要考虑它的质量和距离，而惯性目前只认为与质量有关，与距离没有关系。

所以引力是惯性的源泉，并不意味着惯性的大小也需要考虑距离。事实上我们可以这样想，引力无论在地球哪个位置，有变化，都改变不了同样质量的物体的引力质量与惯性质量严格相等的事实。而引力作为惯性的源泉，引力的变化，对于惯性质量是不变的。所以上面大学生关于惯性与近场和远场宇宙物质是不同的，这个观点是错误的。

一定要理解引力是物体与物体的作用，而惯性强调当物体引力延伸的性质。所以他受引力场影响，却不遵从距离反比定律。其实涉及惯性的概念时候，可以不受任何力的概念影响。惯性力不是真实的力。牢牢记住一个观点，惯性质量是不变的，惯性的产生与引力有关。这样就可以解决马赫问题了。此书在灵遁者淘宝

摘自独立学者，科普作家灵遁者科普作品《变化》

标签：引力,惯性,物体,宇宙,问题,物质,物理学,质量
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