第二节 惯性是什么？

　　一、以太和场

　　我们有必要先回忆一下以太。

　　“以太”在古希腊语中本义是青天和上层大气。亚里士多德首先提出这个概念，它认为自然界中除了火、气、土、水四种元素外，还应存在着以太，不动的地球由四种元素组成，以太则以地球为中心作圆运动，形成完美无暇的世界。

　　17世纪文艺复兴时代，以太被笛卡儿以“光的载体”身份引入科学，用来解释各种光的现象。随后历经托马斯·杨、麦克斯韦等人的发展，到了19世纪，以太学说发展到了鼎盛时期，成了物理学里的一颗明星。人们认为，自然界中所有的力和作用都靠以太形成，物质的最根本属性──质量也可以在以太里找到起源，世界上唯一最终实际的是以太，一切物质只不过是以太的局部变态的带电粒子的集合而已。

　　然而令人遗憾的是，就在人们对以太物理学前景一片看好之际，1887年，迈克尔逊和莫雷完成了著名的“迈克尔逊—莫雷实验”，这一实验依据光的干涉原理测量以太相对地球的运动速度，根据地球在太阳系的运动，实验预期应有0.4条纹移动，但实测移动为0.02，这表明地球上进行测量，沿地球运动方向和垂直于地球方向的光速是相同的。当时以太学说认为，以太是光的载体，光波依赖以太而传播，所谓光速正是相对以太参照系而言的，这就否定了以太相对地球运动这一当时人们认为理所当然的结果，震惊了整个物理学界。

　　为了解释这个实验结果，人们纷纷作出各种各样的假设。其中影响较大的有迈克尔逊本人提出的以太拖曳假设，一些物理学家提出的“发射”假设（认为光速相对于光源不变），裴兹杰惹和洛伦兹分别独立提出的收缩假设（认为实验装置在通过以太的方向上缩短了）。

　　但无疑地，上述假设都是失败的。到达地球的星光不发生较大的弯曲否定了以太拖曳假设。在双星系统中，两颗恒星发出的光到达地球的所需的时间在实验精确度上相等否定了“发射”假设。而收缩假设的数学表达式虽然最终被纳入狭义相对论，但由于缺乏对数学形式的进一步推理和理解，也同样得不到人们的认可。

　　1905年爱因斯坦发表了论文“论运动物体的电动力学”，提出狭义相对论，从而彻底否定了以太的存在。他说：“引入光以太将是多余的，因为在这里将不需要具有特殊性质的‘绝对静止'的空间。”

　　我们再来看看场思想的有关发展。

    相隔一定距离的物体的相互作用是怎样进行的，这个问题在历史上曾经有过很长时间的争论。受牛顿威信的影响，十九世纪前期，大部分物理学家认为物体的相互作用是超距作用，即不需任何媒质，也不需要时间。

　　然而当时也有少数物理学家认为，物体间的相互作用是近距作用，需要媒质也需要时间。法拉弟就是怀有这种信念的代表人，他通过实验发现，电荷之间或磁体之间的媒质不同，电作用或磁作用的强度就不同，因而他深信，“物质到处都存在，没有不被物质占有的中空地带”，作用力不能凭空传递。基于这点，法拉弟提出了“力线”概念，并采用图示法表示。后来，他又进一步提出“场”概念，认为电荷或磁体周围相应地存在着电场和磁场，电荷或磁体就是通过电场或磁场传递发生相互作用的。法拉弟把场设想为以太的激发态，类似于弹性膨胀体中的机械应力状态。

　　能言善辩、精通数学的麦克斯韦随后为场观念的发展作出了巨大贡献。他把以太（或场）看作一种理想的流体，没有惯性，不可压缩，以太通过电荷的偏离引起电荷在一定方向上的总位移来影响电场和磁场。此后，麦克斯韦提出“位移电流”概念，建立“麦克斯韦”方程组，使得场观念获得巨大的成功。

　　时至今日，场观念已经在物理学中根深蒂固，场在真空中存在已经是不可辩驳的事实！

　　相比于场观念，我们为以太学说的失落感到悲哀！在麦克斯韦思想中，以太是一种有别于实态物质的物质，是任何空间中都存在的另一种形态的物质，而场是以太的一种激发态表现（是一种波动性表现），以太和场是物质和形态的关系，然而，现在人们却把场看作一种物质，把以太排斥出去，其实，这不是恰恰说明真空不空，真空中存在一种特殊形态的物质吗？这就是以太和场的统一，不管我们把这一物质称为场还是以太，只要我们承认真空不空，真空具有极其复杂的物质，这就已经足够。

　　综合起来，场的存在，或者说以太的真实存在，至少有以下四个依据：

　　1、位移电流：与“电荷移动”无关的位移电流能够产生磁场，这对超距作用说是不可思议的，这就说明真空不空，真空具有极其复杂的物质，位移电流（电场）、磁场依据这一物质而存在。

2、真空极化现象：1947年，物理学家发现，真空具有极化现象，即外界电荷会使真空物质的正负电荷偏离，兰姆的微粒氢原子光谱实验和日本的朝永振的计算都证实了这一点，这一现象说明真空具有物质属性。

　　3、广义相对论：爱因斯坦在狭义相对论中否定以太的存在，但广义相对论的建立体现了爱因斯坦思想的明显改变。他指出：广义相对论“是一种场论”，“如果用常数代替那些描述广义相对论以太的函数，同时不考虑任何决定以太的原因，那末广义相对论以太就可以在想象中变为洛仑兹以太。”爱因斯坦甚至试图把各种场统一起来，形成一种完美无瑕的理论。他认为，这个理论将可以根源性地导出现在的所有物理定律，更加深刻地阐述自然奥秘。“以太─物质这种对立就会逐渐消失，整个物理学将通过类似几何学、运动学和引力理论那样的一种完备的思想体系。” 

　　4、量子力学：量子力学中的许多现象，例如测不准原理、粒子运动的波函数、几率性等，如果不借助真空的物质属性，人们很难理解。然而，所有这些，只要假定真空中存在着一种物理实在的东西──不管我们称它为“以太”还是“场”──便可能凭着数学推理及计算，对它们作出根源性的理解。甚至，我们可以由此试图建立一种人们梦寐以求的所谓“终极理论”。

　　二、惯性是什么？

　　惯性是指物体维持静止状态或匀速直线运动状态的一种性质，这一性质是物体的固有属性，不论位置、环境和运动速度如何，所有物体都具有这一性质，要改变物体的运动状态必须对其施加作用力。

　　和所有事件的发生一样，惯性的存在也应该有其存在的具体原因，然则这一原因至今仍然未引起人们应有的重视，繁杂的物理学中依然未能找到“为什么物体会维持静止状态或匀速直线运动状态”这一问题的答案，这不能不说是物理学的重大失误。

　　如果借助比喻，或许我们能够找到惯性存在的原因所在。飞机得以稳定地飞行无非是凭借周围的空气，潜艇得以稳定地航行无非是凭借周围的水，如果没有空气和水，飞机和潜艇肯定不能如此自由和浪漫地运动。同样，物体在空间中能够维持稳定的运动速度，并能够改变其运动速度，从而表现出惯性和相互作用，这是由于场的真实存在。如果没有场，物体不可能表现出惯性。在一个没有场、绝对空虚的空间中，物体的运动不受任何因素的影响，因而只能显示出极端状态，要么以无穷大的速度运动，要么静止，甚至会象传说中的幽灵那样，刚才还是静静地在眼前，忽然间到了数十万光年以外，这当然无所谓惯性和相互作用可言。

　　可以用螺线运动形象地理解惯性与相互作用。把对应于运动速度的粒子内部场的运动理解为旋转运动，把宇宙空间中的场理解为螺丝，两者结合起来使粒子向前平动，动能不变则运动速度不变，就象一个螺母绕螺丝运动，角速度不变平动的速度也就不变一样。如果有外力作用，它将改变粒子内部基本场旋转的角速度，从而相应地改变粒子的运动速度。

　　三、广义相对速度定义式

　　惯性的存在是因为场的真实存在，场在宇宙空间中的广泛存在是惯性得以体现的最根本原因。1970年苏联科学家罗金斯基进行的实验在 以内证明了引力质量和惯性质量严格相等，如果注意到惯性质量与引力质量的严格相等，我们将发现，更准确的提法是，惯性来源于全宇宙物质的万有引力场。

　　为了弄清物体惯性运动的物理实质性原理，不妨让我们针对假定只有 、 两物体存在的宇宙进行分析。

如图1-2，由于宇宙中只有 、 两物体存在，为了考察 的惯性和运动，不管 、 两物体之间是否发生相互作用，充当惯性参照系的唯一地只能是 物体。在这样简单的宇宙中，针对 物体可以把牛顿第一、第二运动定律分别表述为：

　　1、 相对 保持静止或匀速直线运动，除非 对它施加作用力迫使它改变这种状态。

　　2、 相对 所得加速度的大小与受到 的作用力成正比，与 的质量成反比，加速度的方向在 、 的连线上。

　　在这样的体系中，我们不难发现，所有以往经典运动定律出现的疑难问题都不复存在了。你也许想，这是因为这样的体系太简单了，但我觉得，这是由于考察某物体的惯性和运动问题之前，已经在速度概念中，预先考察了全宇宙别的实体物质的真实存在，或者更加深刻地说，已经预先考察了全宇宙实体物质的万有引力场的影响。

　　我们令距 物体 远处的场存在着激烈程度为 的引力场波动，G为常数，m为B的质量。（粒子的长期存在不改变其质量等物理内涵，这表明引力场波动并不向外扩散能量。）设A的有效截面积为s，相对B以速度v运动，由于相对运动，属于B的场在单位时间内流经A的能流为 。再以这个能流与能流密度及有效截面积作比，得到速度量纲的物理量 。消去常量G，并用大写字母V表示它，得到

这就是我要提出及定义的A的广义相对速度表达式。

　　在这种简单的宇宙体系中，由于 （广义相对速度与相对速度恒等）， ，所以用A的广义相对速度代替A的相对速度分析惯性和运动问题，和原先完全一致，不存在任何分歧。

但当全面考察错综复杂的现实宇宙中其它物质的影响以后，某物体的广义相对速度与它的相对速度之间便存在着一些差异，我们将发现，正是这些差异的存在，直接导致了以往经典时空观的舍弃。

如图1-3。全面考察全宇宙物质的存在得到

其中V表示考察物体（A）的广义相对速度， 表示考察物体相对任一参照系的速度（这一参照系可以是惯性参照系，也可以是非惯性参照系）， 表示宇宙中某一物体 相对同一参照系的速度， 表示考察物体与 的距离，积分范围是全宇宙空间。具体计算涉及全宇宙物质的分布及运动状态，比较麻烦，麻烦到我们不能非常精确地得到任一物体的广义相对速度，并且别无选择地把计算的任务交给计算机。

客观现实中，大多数物质都以星球的形式存在，通常我们可以采用广义相对速度的不连续表达式计算

    由于参照系之间存在着相对运动，相对速度没有唯一的值，而广义相对速度却具有唯一的值，显然，通常情况下 ，但我相信，用计算机可以计算证明，在地球表面附近，即使考虑地球物质、远距离物质及空气的影响，只要运动物体位移的距离和时间不很大，广义相对速度和相对速度的变化率是非常接近的，即 ，或者 。所以，如果承认牛顿第二运动定律，即 ，那么就有 。别忘了在经典时空观基础上牛顿运动定律出现了问题，这就使得有理由怀疑 F 、 、 三者之间的等量关系。

    我怀疑真正成立的是 ，而不是 。这并非毫无依据：（1） 是经验公式，由于实验误差的真实存在，实验数据不可能无限精确，只要 、 足够地接近，我们就不能分辨，目前虽然用实验验证了 ，而真正恒等的是 ，这具有可能性。（2）在形式上，可以把广义相对速度理解为按照一定规则相对全宇宙的平均速度，它包含着客观的物理实在内涵，即广义相对速度对应于实体粒子的场的特定的和谐运动，很可能与力联系得更密切。

    普通相对速度着重从位置角度理解物体的运动，而广义相对速度则着重从物质内部及场运动角度描述物体的运动，也就是广义相对速度具有物质实质性的物理内涵，这点有别于通常所用的相对速度，从而使得它可以用于取代相对速度理解惯性、加速度等物理量。广义相对速度不依赖坐标系的选择，具有独立而唯一的值，选择的坐标系可以是惯性系，也可以是非惯性系，从而解决了惯性运动与惯性系定义的逻辑循环问题。（目前人们以惯性运动定义惯性系，却又以惯性系定义惯性运动。）关于广义相对速度的深入分析，留待下节进行，这里从场的思想角度重新描述第一、第二运动定律：

    （1）每个物体继续保持它的广义相对速度不变，除非有外力加于其上迫使它改变这种运动状态。

    （2）在力的作用下，质点广义相对速度的变化与时间的比值和合力大小成正比，和质点质量成反比，广义相对速度的变化方向与合力方向相同。

    四、恢复经典时空观

    相对论诞生以来，人们一直为物理学的难以想象性和深奥性感到彷徨。狭义相对论认为，空间和时间联系在一起，并且是速度的函数。这个结论，莫说一般人，就是精于想象的学者，理解起来也会感到困难，因为它们与现实生活中的感觉相差得实在太遥远了。

广义相对论为了进一步发展相对性原理，运用张量几何，把物理学变得更加复杂和难以理解。笔者认为，已经努力学习物理和数学知识，可是从来没有机会接触张量几何（即使接触了，也有几分自知之明），当然也就不可能从数学原理中理解广义相对论。对于广义相对论的深奥性，许多物理学道上的朋友也有同感。就连当年的物理学家玻恩也说：“它的形式复杂得可怕。”据说，直到1920年全世界只有二十多人能够理解广义相对论。广义相对论难以被人们真正理解，究其原因，还不是因为它彻底地抛弃经典时空观吗？

　　1911年，美国科学协会主席马吉在演说中表示：爱因斯坦的理论不是根本性的，因为一个根本性的理论，对于所有人来说都是可以理解的。的确，在追求科学理论的深刻性、严密性的同时，我们不应该放弃对科学理论简明性要求。如果一个理论，尽管它可能是成功的，但它深奥得世上仅仅有少数几个绝顶聪明的人才能肤浅地理解，那么它的发展就要受阻，甚至会遇到祖冲之用于计算圆周率的方法那样的危险──失传或被遗弃。我们有理由相信，物理学正经历着一个困难时期，随着深入发展，它可能将再一次被以具体而熟悉的观念为特征的另一个原理所代替。

    在某种意义上说，相对论无疑是十分成功的，它能够解释许多物理事实，所作的预言都奇迹般地被后来的实验一一验证，这是它能够被人们信奉、赞美和谟拜的原因。这里的意图不是否决相对论，而是试图从新的角度理解相对论所涉及的内容。当然，如果能够对物理事件进行更深刻和更广泛的理解，那将会更好。

    牛顿认为，空间作为物理事件发生的舞台而出现，时间作为物理事件发生的次序而出现。“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着”，“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的。”你看，这是多么符合人们认知意识的定义呢？而且，这定义以及这定义引出的经典物理理论是多么明晰而简单呢？如果能够建立在经典时空定义之上，重新领悟到相对论能够领悟的内容，那无疑是一件令人神往的事。

　　恢复经典时空观的目的在于适应人们在日常生活中形成的的意识习惯，简化近代物理理论，使它们变得浅显易懂，并对现有理论进行适当的修正和深化。在相对论中，空间、时间是影响物理事件的因素，是非刚性的。在这里的场思想中，场是直接影响事件的唯一因素，空间作为物理事件发生的舞台而出现，时间作为物理事件发生的次序而出现，空间、时间各自作为独立体的形式出现，是衡量物理事件相关性手段，为了方便，假定空间、时间是理想刚性的，即试图恢复和改进经典时空观。我相信，这一思想的发展和完善将很可能使物理学变得简单而明晰许多。

　　这里要指出，恢复经典时空观不应被指责为“形而上学”。是的，经典时空定义只是从日常生活中提炼出来，并没有取得实验上的验证。但我要指出，下定义本身是人们为了某种方便而进行的行为，只要人们公认即可，无须其它任何事物作后盾，例如，我们把“能说会道并懂得思考的动物”定义为人，把“愿意吃屎并懂得摇尾巴的动物”定义为狗，但只要大多数人愿意，我们也可以把“能说会道并懂得思考的动物”定义为狗，把“愿意吃屎并懂得摇尾巴的动物”定义为人，这也未尚不可。

　　广义相对论认为，一切物理量都来源于宇宙物质的相互作用，空间、时间也不例外。这里提出的思想体系则认为，为了方便，假设空间作为物理事件发生的舞台独立出现，时间作为物理事件发生的次序独立出现，这是允许的。试图恢复经典时空观，主要是通过重新定义刚性时间、空间概念，适当调整惯性定律等概念实现的。对于一些物理事件，相对论修改时间、空间定义，认为实体物质拖曳周围的时空作出预言，这里提出的观点则根据理论的简明性要求，维持经典时空定义，修改惯性定律等物理概念的具体内涵作出理解。重新定义标准的时间、空间，就是仍然建立在客观物质基础上，加入新的因素重新表述“米”和“秒”，但定义中所依据的物理实在要尽可能稳定，以确保经典时空定义的理想刚性。定义标准的“米”和“秒”，其作用与定义公元1年类似，目的是为了人们表述和认知过程的方便，就这么简单。事实上，以前的人们已经尝透了没有“米”和“秒”标准定义的苦头。

    由于相对论预言的各种非经典物理现象的真实存在，为了确保正确地理解物理事件的前提下恢复经典时空观，我们不得不加入新的内容重新定义时空单位。下面的定义是根据1960年第十一届国际计量大会通过的定义进行的。1979年第十六届国际计量大会通过了新的米定义，把真空中的光速c的299792458分之一定义为米，其依据是确信c是普适常量。无庸讳言，对此我感到十分遗憾。

    （1）1米等于广义相对速度为零的氪-86原子的2p10和5d5能级之间的跃迁所对应的辐射在可以忽略周围物质相对运动的真空中的n1（待定）个波长的长度。

    （2）1秒等于和铯-133原子基态的两个超精细能级之间所对应的辐射的n2（待定）个周期的持续时间，其中铯-133原子的广义相对速度为零，并处于可以忽略周围物质相对运动的真空中。

不能从实验中得到标准的米和秒，但假设标准的米和秒作参考，这是必要的，正象热学中，不能得到绝对零度，但必须假定绝对零度作参考一样。

　　这里借助一个引例重申一下恢复经典时空观的可行性。洛伦兹对爱因斯坦的功绩高度评价，但对相对论却疑心重重。他认为，物理学家可以根据习惯的思考方式来自由地选择理论，不管是以太为基础的理论还是相对论。（就象电磁学中的高斯单位制和国制单位制可以被人们自由选择使用一样。）