描述运动,绝不是一件简单的事情!

原标题:描述运动,绝不是一件简单的事情!

导读:在物理学中,运动是指物体在空间中的相对位置随着时间而变化。讨论运动必须取一定的参考系,但参考系是任选的。运动是物理学的核心概念,对运动的研究开创力学这门科学。现代物理学是建立在力学基础上的科学,物理学中的各个科目只有在建立起一套力学规律后才被视为完备的学科。但描述运动,绝不是一件简单的事情!

上面说到运动,我决定先来聊聊宏观运动。学过哲学的人都知道运动是绝对的,静止是相对的。你无法在宇宙之中找到不运动的东西。可是要确切的描述运动,也是件很让人恼火的事情。

描述运动,必须有参考物,参考系。描述同一物质选择不同的参考系,运动状态就可能发生变化。比如说坐在车上的人,如果以车外的树木为参考系,人是运动的;而以车上的座椅为参考系,人是静止的。这是我们高中学习的。

看到这里,我相信你已经想到了接下来我要说的了。那就是参考系。参考系分为惯性系和非惯性系。也是我们高中所学习的。但是我相信你和我一样,根本没有重视这个知识点。

直到后来,我才意识到这个知识点,对于整个物理学,甚至哲学而言,是多么重要。爱因斯坦能建立狭义相对论,也是基于对此问题的清晰认识。那就是在任何惯性系中物理定律具有相同的表达形式。爱因斯坦将这个相对性原理与光速不变原理相结合,创建了狭义相对论。

而对于惯性理论,我们首先应该提到的是一个人——伽利略。“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。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。

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。

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易的形式,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的接近惯性系,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,我们就不可避免的要谈到惯性【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。即这种关系标明了: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于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、距离,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。

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,他必需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)。

摘自独立学者,科普作家灵遁者科普书籍《变化》返回搜狐,查看更多

责任编辑:

声明:该文观点仅代表作者本人,搜狐号系信息发布平台,搜狐仅提供信息存储空间服务。
免费获取
今日搜狐热点
今日推荐