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惯性定律的唯物辩证思考
陈寿元
（山东师范大学,250014, 济南 chensy@beelink.com）
摘要 牛顿力学体系的基础是惯性定律，牛顿和伽利略对它的解释不能令人满意。以客观事实—天体运行和地面上物体运动为依据，对惯性定律的合理性、客观性、真理性提出质疑。.
关键词 牛顿力学；运动与静止；惯性定律。中图分类号 A 04
1 牛顿力学体系
牛顿建立由三个运动定律和万有引力定律构成的力学体系，这标志着近代科学形成，是科学的基础。但也不能形而上学的背诵。对其合理性、自然性、真理性进行唯物辨证的思考。只有批判的吸收，才能给予发展。牛顿第一定律把物体匀速运动和静止等同，混淆运动与静止的关系。尽管运动与静止在科学上都是相对的，但是也应该是有区别的。
(1) 牛顿力学公理体系定义[1]
定律Ⅰ：每个物体都保持其静止或匀速直线运动的状态，除非有外力作用于它迫使它改变那个状态。
定律Ⅱ：运动的变化正比于外力，变化的方向沿外力作用的直线方向。
定律Ⅲ：每一个作用都有一个相等的反作用。
万有引力定律：两个物体的引力与质量的乘积成正比，与距离的平方成反比。
(2)牛顿力学模型的实证及作用
牛顿综合出万有引力，已被实验证实；地球成扁平状，1735年，法国国王派人测量到；哈雷彗星的返回得到证明；用它发现了海王星和冥王星。目前天文观测和卫星发射，以牛顿力学为基础。
(3) 无法解决的主要问题
A、 行星绕太阳作公转运动，除了遵守万有引力定律外，还具有同向性，轨道共面性，公转周期都大于太阳的自转周期；大部分卫星公转运动也具有类似的特征。牛顿对此无法解释，最后归结为上帝的安排[2]。利用该模型的其它的演化说，大都把太阳系主要特征，归为不能验证的、无法重复的初始条件或偶然事件，这比归结为上帝的安排好听一些。
B、引力波问题
C、模型中没有历史性的思想，它与生物进化论、热力学第二定律相矛盾。而在牛顿力学方程中，没有体现时间单向性[3]。
(4)对于电磁学，静止电荷被电场包围，运动电荷还被磁场包围。物体运动和静止为什么就一样？磁场发生相对变化时，在周围的空间要产生感应电场；一个物体的运动状态发生变化时，为什么没有感应引力？
2、惯性定律为什么是正确的？
爱因斯坦讲的好：“任意次实验都不能证明我是对的，但只要一次实验就能证明我是错误的。”牛顿力学确实已被无数次观测或实验证实，但并不能证明该理论就是永恒不变的真理。因为证实仅仅为该理论的合理性、自然性、客观性提供了更多的支持，得到更多信任，证实可以否定一个理论的真理性，却不能完全证明理论的真理性。科学史上，有许多的已被否定的理论实例，都曾似乎是永恒的真理。因此，尽管人们认为牛顿力学非常正确，我们还是要问：惯性定律为什么是正确的？它是自然规律吗？
牛顿对惯性定律说明：“抛射体如果没有空气的阻力或重力向下牵引，将维持射出时的运动。驼螺各部分的凝聚力不断使之偏离直线运动，如果没有空气的阻力，就不会停止旋转。行星和彗星一类较大物体，在自由空间中没有什么阻力，可以在很长的时间，保持其向前的和圆周的运动。”牛顿并没有给出令人信服的解释。匀速直线运动与静止为什么就一样？为什么就不会存在一个与速度有关的场？阻力的存在是客观的，不随人们的意念而变化。牛顿认为“如果没有阻力”，阻力就会没有。有谁证明太空中就一定没有阻力？阻力的存在为什么就不是客观的、普遍的规律？
按第一定律得：静止和匀速直线运动的状态混为一谈。物体仅靠初始动能就能永远运动下去！可以运动到无限远处！行星又是这样永恒不变这样运动着，那么行星一开始是如何运动的？牛顿只好求助上帝的推动。这说明牛顿力学有它非常成功的一面，也有无法克服的困难。
（1）第一定律仅是一种条件假设
“一个物体，如果不受力的话，它将保持原来静止或匀速运动的状态；”
一杯热水，如果不散热的话，它将保持原来的温度状态；
一个人，如果长生不老的话，他将永远活在人们中间；
一个带电体，如果匀速运动与静止一样的话，电流将不产生磁场；
宇宙红移，如果不是多谱勒效应引起的，大爆炸就是错误的。
那个让牛顿领悟出万有引力的苹果，如果没有重力作用，就不会落到牛顿的头上。
恋人们的语言就更有想象力，也是符合逻辑的：
如果你是沙漠，我愿是清泉，湿润你的心扉。
如果你是风筝，我愿是蓝天，任你飞翔。
如果你是一只小鸟，我愿是一棵大树，给你一个绿色的家。
如果你是小鱼，我愿是河流，任你遨游。
上面语句的逻辑推理是一样的，牛顿的话就是“第一定律”，别的话大多是与客观事实相反的假设。这显然是不公平的。我们认为：牛顿第一定律也仅是一种条件假设，这是因为：第一它没有理论证明；第二没有实验证明；第三自然界中不存在这种现象，它仅是“一个物体在桌面上运动，桌面越光滑，物体运动越远”这一现象的逻辑推理。恩格斯讲的好“原则只有在符合自然界和历史的情况下才是正确的”。逻辑上符合的，或数学上符合的，不一定符合自然或客观事实。理论只有符合客观事实的，才是规律，才具有真理性。
（2）伽利略对惯性定律的解释
牛顿的第一定律来自伽利略的惯性定律。伽利略接受哥白尼提出日心说后，行星绕太阳作严格的圆周运动。为了解决运动的地球上物体的运动问题。引入的惯性定律，支持该定律的两个实验，小球在斜面上滚落到水平板上，（如果不考虑阻力或者没有阻力）小球在水平板上将永远运动下去。另一个实验，自由落体在匀速直线运动的船上，和与船在静止时的相同。在“关于两大世界体系的对话”中，用理论实验来阐述惯性定律的思想：“设想把你和你的朋友关在一只大船的舱板下最大的房间里，里面招来一些蚊子，苍蝇以及诸如此类有翅膀的小昆虫，在拿一只盛满水的大桶，里面放一些鱼；在把一只瓶子挂起来，让它可以一滴一滴把水滴出来，滴入下面的放着的另一只窄颈瓶子中。于是，船在静止不动时，我们看到这些有翅膀的小昆虫 如何以同样的速度飞向房间各处；看到鱼如何毫无差别的向各个方向游动；又看到滴水如何全部落到下面所放的瓶子中，而当你把什么东西扔向你的朋友时，只要你和你的朋友距离保持一定，你向某个方向扔时，不必比向另一个方向要用更大的力。如果你在跳远，你向各个方向会跳的同样远。尽管看到这一切细节，但是没有人怀疑，如果船上情况不变，当船以任意速度运动时，这一些应照样发生。只要这运动是匀速的，不在任何方向发生摇摆，你不能辨别的出上述这一切结果有丝毫变化，也不能靠其中的任何一个结果来推断船是在运动还是静止不动。这种等价关系产生的原因是，船的运动是船中一切事物也包括空气在内的所有的，我的意思是假定这些事物都被关在房间里….”
在伽利略封闭的船舱里，确实无法判断船相对地面是静止还是匀速运动！但是，从另外角度讲：
（A）船相对地面是静止还是匀速运动是否可知？船长一定有方法知道船的运动状态；甲板的人一定能判断船运动状态；船以外的人也可以判断出船的运动状态；如果该船是由人力拉纤的，那么纤夫更能知道船的运动状态。其他人都知道船是静止还是匀速运动，仅有在伽利略封闭的船舱里的人才不知到。
(B)没有观测到的事件是否不发生或不存在呢？如掩耳盗铃---自己听不见，就认为铃不响，自己听不见，别人都听不见；两眼紧闭的人，什么也看不见，就认为四大皆空，其他人都看不见；盲人看不见太阳，太阳是否就不存在呢？如果把一个出生不久的小孩，放在一个封闭的大箱子里，与外界全部隔离，若干年以后，连自己是谁也不知到，就断定宇宙就是箱子？在伽利略封闭的船舱里，测不到船匀速运动与静止的区别，二者就真的没有区别？
(C)电磁学实验
在伽利略封闭的船舱里，做各种电磁学实验，也测不到船匀速运动与静止的区别。是否断定电磁运动符合伽利略变换，与速度无关。然而电磁学实验表明：带电体产生与速度有关的磁场。运动电荷被磁场包围。电磁运动不符合伽利略变换，符合洛伦兹变换.
惯性定律如果是真理，它应该具有客观性和唯一性。伽利略和牛顿观测到静止和匀速运动等效，许多人从其它角度观测到不同。它的真理性值得怀疑！
伽利略说：“在匀速运动的车（船）上，和在静止的地面上，没有感觉什么区别。总结为惯性定律：力与速度无关”。
牛顿曰：“对。当车开动时，有向后倒的感觉；突然刹车时，有向前倒的感觉；力仅与动量的变化量成正比。车跑的快与车跑的慢，都一样；拉的多与拉的少都一样。”
亚里士多德答曰：“二位先生，只知道坐（船）车的感受，从不知拉车的苦。车跑的快，与车跑的慢，能一样吗？拉的多与拉的少能一样吗？拉车者都知道：拉的物品多，拉力就大，拉的物品少，所用拉力就小。跑的快，用力大。拉力为零，车不动。拉力与物体的动量成正比。都讲实践是检验真理的唯一标准，你们下来拉车试一试，再讲话。热能要耗散，电磁能也要耗散，为什么动能就保持不变。如果车（船）的动力系统停止运行，车船还能匀速运行乎？”
总之，牛顿和伽利略对惯性定律的解释，难以令人信服。为此客观事实---天体运行及地面上物体的运动为依据，探讨运动新模型。
3、探讨新的运动模型
亚里士多德运动论：运动和运动者：“一切被运动的事物都必然是被某物所运动的”。物体运动必须有推动者，自推动或它推动。换句话说，物体匀速运动也要耗散能量，自己提供或它物体提供。
恩格斯运动观：“运动应当从它的反面，即静止中找到它的度量”。静止是相对的，是指事物在一定的条件下的相对稳定和平衡状态，是物质运动过程中的一种特殊形式。不能正确认识静止，也就不能客观的研究运动。
物理意义上讲，度量运动必须先定义静止，即选取参照物的准则是什么？
静止的定义：在一个封闭的体系内，若有一个物体，受到其它物体的相互作用，没有观测到它发生运动，就是静止。用它来度量体系内其它物体的运动状态是合理的，也是客观的。相对与它，空间位置发生变化的物体，称为在相对运动；空间位置没有发生变化的物体，在相对静止状态。体系内凡静止的物体都可以作为运动物体的参照物，用它们来度量运动是等价的。
通常人们在不同的研究范围内，静止物体的选取是有区别的。如（1）讨论地面上物体的运动时，在地球为主的体系内，该体系内的各种相互作用，并不能使地球发生可观测到的运动，我们认为地球是静止不动的，相对与地球静止的物体都可以作为描述运动物体的参照物；（2）研究行星运动时，在太阳为主的体系内，该体系内的各种相互作用，并不能使太阳发生可观测到的运动，我们认为太阳是静止不动的，它可以作为描述行星运动的参照物；（3）研究银河系物体的运动时，我们认为银河中心是静止不动的，可以作为描述运动物体的参照物；（4）在匀速运动的车（船）为主的体系内，该车（船）内的各种相互作用，并不能使车（船）发生可观测到的运动，我们认为车（船）是静止不动的，相对与车（船）静止的物体都可以作为描述车（船）内运动物体的参照物。因此，在匀速运动的车（船）上的乘客是静止的，是车（船）相对地面在匀速运动，并非乘客在运动。
定义Ⅰ：具有相同速度和加速度的多个物体，互为相对静止；以相同角速度和角加速度，绕共同轴转动的多个物体，互为转动相对静止..
地面上许多物体以相同自转速度和公转速度随地球一起自转、绕太阳公转运动，处于与地球相对静止的状态；月球总是一面朝着地球，绕地球做公转运动，站在月球上看地球，地球的位置没有变化，这种静止称为转动相对静止。天文观测结果：几乎所有自然卫星总是一面朝着其行星，做公转运动，都处于转动相对静止状态。
定律Ⅰ：物体的自然状态是相对静止，处在自然状态的要保持，未处在自然状态的要恢复之[5].即：如果物体未在相对静止状态，不论与周围物体是否接触，都要受其阻碍作用，损失动能，趋向于相对静止状态，又称为万有阻力定理[4].
迄今为止，没有人发现地面上处于与地面静止的某物体，无原因的发生与地面的相对运动；自然事实说明物体有保持相对静止状态的属性；地面上所有相对运动的物体都要受到阻力的影响，这是不争的事实.天体运动作用机理与地面物体是相同的---也都要受到阻力作用.如地球的自转长期减慢；火卫一正在下落；中子星的自转周期是缓慢增加，其绕转周期是缓慢减小.如果地面上物体发生相对与地面的运动，要受到阻力作用，回到与地面的相对静止状态。如果匀速车（船）里的物体，发生相对与车（船）厢的运动，要受到阻力作用，回到与车（船）厢的相对静止状态。自然现象表明物体有恢复相对静止状态的属性；
定义Ⅱ：在相对静止状态的物体，相互吸引的作用力，称为静（万有）引力.
定律Ⅱ：万有引力与两物体的质量乘积成正比，距离平方成反比.牛顿早已用行星运动证明万有引力定律的正确性.
定义Ⅲ：运动物体产生与速度有关，恢复相对静止，符合洛伦兹变换的场，称为U—场[5].
定律Ⅲ：U—场场强与动量成正比，与距离的平方成反比，取速度方向[1].外力使运动或U-场发生相对变化，符合牛顿第二定律.
行星运动的公共特征：①行星公转运动沿太阳的自转方向；②行星轨道面几乎在太阳自转的赤道面上；③行星的公转周期都大于太阳的自转周期(太阳的自转周期:赤道处是25天,高纬度处是35天).④大部分（约占总数的80%）卫星的公转运动也具有类似特征；⑤行星快速自转，所带卫星就多,没有一个在行星赤道面上的逆向卫星.通过U-场的理论，这些特征得到更合理的解释[1].
定义Ⅳ：运动或U-场发生相对变化，产生的感应量，称为感应引力.
定律Ⅳ：感应引力与运动或U-场变化率成正比，其反作用总是阻碍原变化.
1995年，2001年和2002年的日食发生时，都测量到日食期间重力异常减小的现象是对感应引力定律的验证.
定义Ⅴ：引力场发生相对变化，产生的感应场，称为感应U—场.
定律Ⅴ：感应U—场与引力场的变化率成正比，其反作用总是阻碍原场变化.
定义Ⅵ：变化的引力场和变化的U—场相互激发产生的波，称为引力波.引力波性质：以光速传播，符合洛伦兹变换，类似于电磁波方程.
该模型的期望作用：①行星和卫星运动及轨道的演化趋势，推理与现象吻合；②.Neumann-Zee liger佯谬，Olbers佯谬可以克服；③.宇宙红移，可以合理解释，无需大爆炸；④.可以处理天体运动及地面物体运动；⑤.感应引力、引力波；
该模型的包容性：①.简化回到牛顿力学；②.与相对论不矛盾；③体现亚里士多德运动观的合理内核；④.体现唯物辨证关系：运动和静止都是相对的，二者既有区别，又有联系，还可以转化。
4讨论及说明
天体运动产生的U-场很弱，只有长期作用，才能有比较明显结果。如果太空中不考虑或不计与速度有关的场的作用，外力使运动或U-场发生相对变化，短期内计算天体运行，符合牛顿力学；相对静止论模型就是牛顿力学的发展和扩充。
相对静止论模型的U-场，感应引力，引力波等概念是否真实，一定要经过实验和天文观测的验证。目前多项推理与天文现象吻合，仅说明该模型能解释许多自然现象比目前的其它模型更容易而已。一个理论体系由若干条范畴或定义、定律或规则构成，对具体命题可用体系定义或定律予以证明。体系的定义或定律往往难以逻辑证明、理论推倒，通常用客观事实给予证明。如牛顿力学定律没有人给出理论证明，只能通过事实予以说明。同理相对静止论模型也是有若干条定义和定律构成，其定义和定律的正确性也不能用逻辑或理论推导给予证明，只能用客观事实给予论述。为此恳求专家耐心审阅本文，请勿太苛求。
在研究过程中，得到李保洪教授、王传魁教授、山东大学马裕民教授，和中国科学院汤克云教授的指导，特此致谢.
参考文献
[1] 伊萨克.。牛顿著。王克迪译。自然哲学之数学原理、宇宙体系[M]。武汉出版社1992，5：13～14
[2]伊萨克.。牛顿著。王克迪译。自然哲学之数学原理、宇宙体系[M]。武汉出版社，1992，5：550
[3]关士续等。自然辩证法概论[M]。高等教育出版社，2002，5。49～52
[4]陈寿元.相对静止论的推理及验证[J].山东师范大学学报（自然版），2003,18(1):113～115
[5]陈寿元.相对静止论[J].山东大学学报（工学版），2002,32(4):396～400
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