我们似乎很有必要弄清楚,“惯性”到底是怎么一回事。根据伽利略、笛卡儿和牛顿的归纳可以看出,惯性是一切物体具有的保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质。
运动物体和静止物体都有惯性,它与物体的运动状态无关,与该物体是否受力作用也无关。因为外力只能改变物体的运动状态,而不能改变物体的惯性。所以,惯性是一种很抽象的物体状态。
我们说一个物体惯性大不大,要看它保持原来运动状态的能力强不强。比如说有胖瘦两个人在车上碰到急刹车,瘦的那个人肯定比胖的这个人容易向前倾倒,因为他的质量(即体重)较小。而胖的人因为是质量较大,比起瘦的人来说,他更容易保持原来的静止状态,所以我们就说这个胖的人惯性大。
◎牛顿著作《自然哲学的数学原理》封面
从这个例子,我们看出,惯性并不是一种力,而是一种抽象的状态的保持。亚里士多德的错误就在于,他把物体运动的惯性,看做是一种力,以为那是由于外力改变了物体运动的状态。后来的伽利略和笛卡儿,正是发现了亚里士多德的这个错误,总结出惯性定律的。
牛顿的惯性定律,总结了前两位巨人的成就,他的《自然哲学的数学原理》引起了惊人的轰动。
牛顿在序言中这样写道:“我把这部著作叫做《自然哲学的数学原理》,是因为哲学的全部任务,看来就在于,从各种运动现象来研究各种自然之力,而后用这些力去论证其他现象,我希望能用同样的推理方法,从力学中推导出自然界的其他现象。”
他在他的运动三大定律和万有引力定律的基础上,把天上的和地上物体的运动全部统一起来,完成了物理学上第一次大综合。
《自然哲学的数学原理》发挥了科学理论的预言作用,引导人们从已知的现象去预测未来,最著名的两个例子,就是预测到哈雷彗星的周期回归,以及发现冥王星。
牛顿根据天文资料,应用万有引力定律,说明和计算了彗星的运动轨道。他的好朋友,英国天文学家哈雷,根据牛顿理论进一步计算了大量彗星的运动轨道,得出1531年、1607年、1682年出现的彗星轨道相同,因此应是同一彗星。由此预言,1758年还将出现这一彗星。
1758年,这成了当时一件众人十分瞩目的大事。彗星到期未出现,科学家着急得很。1759年3月12日,这颗星出现了。迟到的原因,是因为它受木星和土星的吸引而姗姗来迟了,这正说明了万有引力定律的成功。(www.xing528.com)
1781年,赫舍尔发现天王星,距太阳约28亿公里,绕一周要84年。但根据牛顿理论,其运动有偏差,于是预言,还应该存在另一颗星。列威尔、亚当斯根据牛顿的理论计算出了该星的轨道。
◎ 牛顿的墓碑:“伊萨克·牛顿爵士安葬在这里,让我们欢呼曾经存在过这样一位伟大的人类之光。”
柏林天文家伽列于1846年9月23日,在列威尔推算出相距不到1°的地方发现了这颗星——海王星,大大拓宽了天文科学家的视野。
牛顿在书中写道:“自然界喜欢简单化,而不爱用什么多余的原因以夸耀自己。”所以他努力寻找支配自然界的尽可能简单的原理,总结其规律。大自然追求的是一本用数学语言所写的巨著,他追求的是一个精确的、完完全全用数学表示的定律。
总之《自然哲学的数学原理》第一次显示了科学理论所具有的知识飞跃和能动作用,它为后来的物理研究开拓了一条传统思路,奠定了经典力学的基础,促进了物理学向前发展。
200年以后,另一位伟大的科学家,在牛顿总结的惯性定律上,做了一些细微的修改,他把牛顿使用的概念“力”舍去,因为“力”是含糊不清的,不能说明到底是什么力使物体产生惯性,所以干脆不用。
他就是敢于突破的爱因斯坦,他把修改后的惯性定律表述为:“一物体在离其他物体都足够远时,一直保持静止状态或匀速直线运动状态。”这样的表述,具有更普遍的意义,它的有效性超出了经典力学的范畴,物理学又得到了一次惊人的综合。
◎20世纪初期的爱因斯坦
1727年,牛顿遗言:“我不知道世人对我是怎样的看法,但是在我看来,我不过像一个在海边玩耍的孩子,为时而发现一块美丽的石子而高兴,但那浩瀚的真理的海洋,却还在我的面前未曾发现呢。”
爱因斯坦
爱因斯坦于1879年3月出生在德国的一个犹太家庭。父亲是小商人,母亲是钢琴家。上学后,成绩平平,但爱动脑筋,12岁曾证明勾股定理。1905年,发表了有关狭义相对论的三篇文章。1913年,任柏林威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。1916年建立广义相对论,1921年获诺贝尔物理奖。1933年,受德国纳粹迫害,移居美国,成为普林斯顿研究所研究员。1955年4月18日,由于大动脉破裂而去世。
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