物理学论文【优质5篇】

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物理学论文【第一篇】

十九世纪末二十世纪初，经典物物学的各个分支学科均发展到了完善、成熟的阶段，随着热力学和统计力学的建立以及麦克斯韦电磁场理论的建立，经典物理学达到了它的顶峰，当时人们以系统的形式描绘出一幅物理世界的清晰、完整的图画，几乎能完美地解释所有已经观察到的物理现象。由于经典物理学的巨大成就，当时不少物理学家产生了这样一种思想：认为物理学的大厦已经建成，物理学的发展基本上已经完成，人们对物理世界的解释已经达到了终点。物理学的一些基本的、原则的问题都已经解决，剩下来的只是进一步精确化的问题，即在一些细节上作一些补充和修正，使已知公式中的各个常数测得更精确一些。

然而，在十九世纪末二十世纪初，正当物理学家在庆贺物理学大厦落成之际，科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实。首先是世纪之交物理学的三大发现：电子、X射线和放射性现象的发现。其次是经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”：“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”。[1]这些实验结果与经典物理学的基本概念及基本理论有尖锐的矛盾，经典物理学的传统观念受到巨大的冲击，经典物理发生了“严重的危机”。由此引起了物理学的一场伟大的革命。爱因斯坦创立了相对论；海林堡、薛定谔等一群科学家创立了量子力学。现代物理学诞生了！

把物理学发展的现状与上一个世纪之交的情况作比较，可以看到两者之间有相似之外，也有不同之处。

在相对论和量子力学建立起来以后，现代物理学经过七十多年的发展，已经达到了成熟的阶段。人类对物质世界规律的认识达到了空前的高度，用现有的理论几乎能够很好地解释现在已知的一切物理现象。可以说，现代物理学的大厦已经建成。在这一点上，目前有情况与上一个世纪之交的情况很相似。因此，有少数物理学家认为今后物理学不会有革命性的进展了，物理学的根本性的问题、原则问题都已经解决了，今后能做到的只是在现有理论的基础上在深度和广度两方面发展现代物理学，对现有的理论作一些补充和修正。然而，由于有了一百年前的历史经验，多数物理学家并不赞成这种观点，他们相信物理学迟早会有突破性的发展。另一方面，虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。

虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。客观物质世界是分层次的。一般说来，每个层次中的体系都由大量的小体系（属于下一个层次）构成。从一定意义上说，宏观与微观是相对的，宏观体系由大量的微观系统构成。物质世界从微观到宏观分成很多层次。物理学研究的目的包括：探索各层次的运动规律和探索各层次间的联系。

回顾二十世纪物理学的发展，是在三个方向上前进的。在二十一世纪，物理学也将在这三个方向上继续向前发展。

1）在微观方向上深入下去。在这个方向上，我们已经了解了原子核的结构，发现了大量的基本粒子及其运规律，建立了核物理学和粒子物理学，认识到强子是由夸克构成的。今后可能会有新的进展。但如果要探索更深层次的现象，必须有更强大得多的加速器，而这是非常艰巨的任务，所以我认为近期内在这个方向上难以有突破性的进展。

2）在宏观方向上拓展开去。1948年美国的伽莫夫提出“大爆炸”理论，当时并未引起重视。1965年美国的彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙背景辐射，再加上其他的观测结果，为“大爆炸”理论提供了有力的证据，从此“大爆炸”理论得到广泛的支持，1981年日本的佐藤胜彦和美国的古斯同时提出暴胀理论。八十年代以后，英国的霍金[2,3]等人开始论述宇宙的创生，认为宇宙从“无”诞生，今后在这个方向上将会继续有所发展。从根本上来说，现代宇宙学的继续发展有赖于向广漠的宇宙更遥远处观测的新结果，这需要人类制造出比哈勃望远镜性能更优越得多的、各个波段的太空天文望远镜，这是很艰巨的任务。

我个人对于近年来提出的宇宙创生学说是不太信的，并且认为“大爆炸”理论只是对宇宙的一个近似的描述。因为现在的宇宙学研究的只是我们能观测到的范围以内的“宇宙”，而我相信宇宙是无限的，在我们这个“宇宙”以外还有无数个“宇宙”，这些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影响、有作用的。现代宇宙学只研究我们这个“宇宙”，当然只能得到近似的结果，把他们的延伸到“宇宙”创生了初及遥远的未来，则失误更大。

3）深入探索各层次间的联系。

这正是统计物理学研究的主

要内容。二十世纪在这方面取得了巨大的成就，先是非平衡态统计物理学有了得大的发展，然后建立了“耗散结构”理论、协同论和突变论，接着混沌论和分形论相继发展起来了。近年来把这些分支学科都纳入非线性科学的范畴。相信在二十一世纪非线性科学的发展有广阔的前景。

上述的物理学的发展依然现代物理学现有的基本理论的框架内。在下个世纪，物理学的基本理论应该怎样发展呢？有一些物理学家在追求“超统一理论”。在这方面，起初是爱因斯坦、海森堡等天才科学家努力探索“统一场论”；直到1967、1968年，美国的温伯格和巴基斯坦的萨拉姆提出统一电磁力和弱力的“电弱理论”；目前有一些物理学家正在探索加上强力的“大统一理论”以及再加上引力把四种力都统一起来的“超统一理论”，他们的探索能否成功尚未定论。

爱因斯坦当初探索“统一场论”是基于他的“物理世界统一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最终没有成功。我对此有不同的观点，根据辩证唯物主义的基本原理，我认为“物质世界是既统一，又多样化的”。且莫论追求“超统一理论”能否成功，即便此理论完成了，它也不是物理学发展的终点。因为“在绝对的总的宇宙发展过程中，各个具体过程的发展都是相对的，因而在绝对真理的长河中，人们对于在各个一定发展阶段上的具体过程的认识只具有相对的真理性。无数相对的真理之总和，就是绝对的真理。”“人们在实践中对于真理的认识也就永远没有完结。”[5]

现代物理学的革命将怎样发生呢？我认为可能有两个方面值得考试：

1）客观世界可能不是只有四种力。第五、第六……种力究竟何在呢？现在我们不知道。我的直觉是：将来最早发现的第五种力可能存在于生命现象中。物质构成了生命体之后，其运动和变化实在太奥妙了，我们没有认识的问题实在太多了，我们今天对于生命科学的认识犹如亚里斯多德时代的人们对于物理学的认识，因此在这方面取得突破性的进展是很可能的。我认为，物理学业与生命科学的交叉点是二十一世纪物理学发展的方向之一，与此有关的最关于复杂性研究的非线性科学的发展。

2）现代物理学理论也只是相对真理，而不是绝对真理。应该通过审思现代物理学理论基础的不完善性来探寻现代物理学革命的突破口，在下一节中将介绍我的观点。

三、现代物理学的理论基础是完美的吗？

相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱，这两大支柱的理论基础是否十全十美的

呢？我们来审思一下这个问题。

1）对相对论的审思

当年爱因斯坦就是从关于光速和关于时间要领的思考开始，创立了狭义相对论[1]。我们今天探寻现代物理学革命的突破口，也应该从重新审思时空的概念入手。爱因劳动保护坦创立狭义相对论是从讲座惯性系中不同地点的两个“事件”的同时性开始的[4]，他规定用光信号校正不同地点的两个时钟来定义“同时”，这样就很自然地导出了洛仑兹变换，进一步导致一个四维时空（x，y，z，ict）（c是光速）。为什么爱因劳动保护担提出用光信号来校正时钟，而不用别的信号呢？在他的论文中没有说明这个问题，其实这是有深刻含意的。

时间、空间是物质运动的表现形式，不能脱离物理质运动谈论时间、空间，在定义时空时应该说明是关于什么运动的时空。现代物理学认为超距作用是不存在的，A处发生的“事件”影响B处的“事件”必须通过一定的场传递过去，传递需要一定的时间，时间、空间的定义与这个传递速度是密切相关的。如果这种场是电磁场，则电磁相互作用传递的速度就是光速。因此，爱因斯坦定义的时空实际上是关于由电磁相互作用引起的物质运动的时空，适用于描述这种运动。

爱因斯坦把他定义的时间应用于所有的物质运动，实际上就暗含了这样的假设：引力相互作用的传递速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速传递的呢？令引力相互作用的传递速度为c＇。至今为止，并无实验事实证明c＇等于c。爱因斯坦因他的“物质世界统一性”的世界观而在实际上假定了c=c＇。我持有“物质世界既统一，又多样化的”以观点，再加之电磁力和引力的强度在数量级上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工样，关于由电磁力引起的物质运动的四维时空（x，y，z，ict）和关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的问题只涉及一种相互作用，则按照现在的理论建立起来的运动方程的形式不变。例如，爱因斯坦引力场方程的形式不变，只需把常数c改为c＇。如果研究的问题涉及两种相互作用，则需要建立新的理论。不过，首要的事情是由实验事实来判断c＇和c是否相等；如果不相等，需要导出c＇的数值。

我在二十多年前开始形成上述观点，当时测量引力波是众所瞩目的一个热点，我曾对那些实验寄予厚望，希望能从实验结果推算出c＇是否等于c。令人遗憾的是，经过长斯的努力引引力波实验没有获得肯定的结果，随后这项工作冷下去了。根据爱国斯坦理论预言的引力波是微弱的，如果在现代实验技术能够达到的测量灵敏度和准确度之下，这样弱的引力波应该能够探测到的话，长期的实验得不到肯定的结果似乎暗示了害因斯坦理论的缺点。应该从c＇可能不等于c这个角度来考虑问题，如果c＇和c有较大的差异，则可能导出引力波的强度比根据爱因劳动保护坦理论预言的强度弱得多的结果。

弱力、强力与引力、电磁力有本质的不同，前两者是短程力，后两者是长程力。不同的相互作用是通过传递不同的媒介粒子而实现的。引力相互作用的传递者是引力子；电磁相互作用的传递者是光子；弱相互作用的传递者是规范粒子（光子除外）；强相互作用的传递者是介子。引力子和光子的静质量为零，按照爱因斯坦的理论，引力相互作用和电磁相互作用的传递速度都是光速。并且与传递粒子的静质量和能量有关，因而其传递速度是多种多样的。

在研究由弱或强相互作用引起的物质运动时，定义惯性系中不同的地点的两个“事件”的“同时”，是否应该用

弱力或强力信号取代光信号呢？我对核物理学和粒子物理学是外行，不想贸然回答这个问题。如果应该用弱力或强力信号取代光信号，那么关于由弱力或强力引起的物质运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空（x，y，z，ict）及关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。设弱或强相互作用的传递速度为c＇＇，c＇＇不是常数，而是可变的，则关于由弱或强力引起的运动的时空为（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），时间t＇＇和空间（x＇＇，y＇＇，z＇＇）将是c＇的函数。然而，很可能应该这样来考虑问题：关于由弱力引起的运动的时空，在定义中应该以规范粒子的静质量取作零时的速度c1取代光速c。由于“电弱理论”把弱力和电磁力统一起来了，因此有可能c1=c，则关于由弱力引起的运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空是相同的，同为（x，y，z，ict）。关于由强力引起的运动的时空，在定义中应该以介子的静质量取作零（在理论上取作零，在实际上没有静质量为零的介子）时的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。则关于由强力引起的运动的时空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。无论上述两种考虑中哪一种是对的，整个物质世界的时空将是高于四维的多维时空。对于由短程力（或只是强力）引起的物质运动，如果时空有了新的一义，就需要建立新的理论，也就是说需要建立新的量子场论、新的核物理学和新的粒子物理学等。如果研究的问题既清及长程力，又涉及短程力（尤其是强力），则更需要建立新的理论。

1）对量子力学的审思

从量子力学发展到量子场论的时候，遇到了“发散困难”[6]。1946——1949年间，日本的朝永振一郎、美国的费曼和施温格提出“重整化”方法，克服了“发散困难”。但是“重整化”理论仍然存在着逻辑上的缺陷，并没有彻底克服这一困难。“发散困难”的一个基本原因是粒子的“固有”能量（静止能量）与运动能量、相互作用能量合在一起计算[6]，这与德布罗意波在υ=0时的异性。

现在我陷入一个两难的处境：如果采用传统的德布罗意关系，就只得接受不合理的德布罗意波奇异性；如果采纳修正的德布罗意关系，就必须面对使新的理论满足相对论协变性的难题。是否有解决问题的其他途径呢？我认为这个问题或许还与时间、空间的定义有关。现在的量子力学理论中时宽人的定义实质上依然是决定论的定义，而不确定原理是微观世界的一条基本规律，所以时间、空间都不是严格确定的，决定论的时空要领不再适用。在时间或空间的间隔非常小的时候，描写事情顺序的“前”、“后”概念将失去意义。此外，在重新定义时空时还应考虑相关的物质运动的类别。模糊数学已经发展得相当成熟了，把这个数学工具用到微观世界时空的定义中去可能是很值得一试的。

1）在二十一世纪物理学将在三个方向上继续向前发展（1）在微观方向上深入下去；（2）在宏观方向上拓展开去；（3）深入探索各层次间的联系，进一步发展非线性科学。

2）可能应该从两方面去控寻现代物理学革命的突破口。（1）发现客观世界中已知的四种力以外的其他力；（2）通过审思相对论和量子力学的理论基础，重新定义时间、空间，建立新的理论

3）由于现代物理学尚未发生“危机”，因此目前发生现代物理学革命的条件也许还不成熟，物理学的发展和物理学革命都有赖于在物理实验和对客观物质世界的观测中获得新的结果，实验和观测是发展物理学的量重要手段，这是我们要关注的首要问题。然而，科学的发展和物理学的发展有本身的逻辑，符合客观规律的、有真知灼见的思维也是一个关键。

物理学论文【第二篇】

一、中学物理教师应更新教育思想，树立全新的教育理念

目前，全国各地正在进行着轰轰烈烈的教育改革，即从传统的应试教育转变到素质教育上来，但这种改革的步伐缓慢，实质性的进展不明显，究其原因是多方面的，但教育思想严重滞后，对于传统的教育观念、教学内容、教学手段、教学方法偏爱至深，形成了一种强大的传统惯性，以至难以转向，不能不说是主要的原因之一．目前世界各国的理科教育，特别是物理教育，明显的特征是：从强调知识内容向获取知识的科学过程转变；从强调单纯积累知识向探求知识转变；从强调单科教学向注重不同学科相互渗透转变．相比之下，我国的中学物理教学忽视科学归纳，忽视发散思维、形象思维和创造性的直觉思维，忽视主动获得信息与信息交流的训练，忽视学生独立学习与思考的训练，忽视开发学生非智力因素的训练．这些弊端由来已久．

我国中学物理教学传统的讲课风格是细嚼慢咽式的，教师把知识组织得井井有条，滴水不漏，对课程内容的每一个细节都作详尽的解说，对学生可能出现的问题一一予以告诫，久而久之，学生养成了唯书、唯师的学习习惯，缺乏创造的热情和竞争的态势．同样，我国的中学物理教师长期在统一的教学大纲，统一的教材，统一的考纲，统一的考试下，已习惯于把自己的思想和兴趣局限于这统一的框架内．教师的创造性逐渐地被磨灭，多数教师不敢轻易地将有争议的尚未定论的或正处于发展之中的科技新成就，科学新思想介绍给学生，将物理学的前沿知识排斥于教育之外．在这样的物理教育思想指导下，只让中学生了解物理学的昨天，而不懂得重要的是应让中学生知道物理学的今天，更不会让他们去探索物理学的明天．出现这一系列现象的根源是陈旧的教育观念．教育部长陈至立最近强调：必须转变教育只为分数服务的目标观，树立教育为提高人民素质，为社会主义现代化服务的目标观．我们的中学物理教学一定要给学生日后接受各种新观念、新思想作好铺垫，而不能将中学物理讲得太“绝对”，太“确定”，太“线性”．应当让中学生体验到物理学是一门发展中的科学，是现代前沿科学中最为激励人心的学科之一．这就要求我们每个中学物理教师不盲从权威，不迷信教条，敢于大胆想象，大胆创新．同时，我们必须要对物理学现代进展的各个前沿领域，如超导技术、同步辐射、遥感技术、核磁共振、可燃冰、新材料、纳米技术等，有一概括的清晰的了解．中学物理教师应树立全新的教育理念．

二、中学物理教师应补充新知识，提高自身的文化素养

由于历史的原因，目前绝大多数的中学物理教师是狭窄的专业模式中培养出来的，教师在大学时代学习的知识很多已经陈旧、过时，如果试图靠吃老本，那是绝对行不通的．现代社会青少年学生的知识信息来源非常广泛，各种渠道的信息扩大了学生的知识面，但也给他们带来了各种新问题，他们希望从教师那里找到正确答案．“要想给学生一杯水，教师就得有一桶水”．当今学生这个“杯子”越来越大了，如果教师还靠自己桶里原来那么点水，怎么能够学生舀的呢？更重要的是，我们应有一桶流动的水，常言说，流水不腐，即我们的知识应该吐故纳新，使我们具有一桶永远是新鲜、富有营养、受学生欢迎的高质量的水．

杨振宁教授曾经指出：“中国的研究生兴趣太窄，对物理学方面的兴趣太窄，对一般的事物的兴趣也显得太窄．……我觉得这是一个不好的普遍现象．”这种兴趣狭窄的普遍现象的造成，不是一朝一夕形成的，这当中也有因我们中学物理教师的知识陈旧、知识面狭窄而应负的不可推卸的责任．随着“3+X”高考模式在全国的普遍推广，各学科之间相互联系、相互渗透的趋势日益明显，这就更要求我们中学物理教师注意利用一切机会充实自己，扩大自己的知识面，提高自身的文化素养，在掌握精深的专业知识基础上，广泛涉猎相关学科的知识，如生命科学、文史知识、教育理论知识等．无论社会如何发展，丰富的知识底蕴、广博的信息含量始终是教师取得成功的基础之一．

20世纪的物理学已取得的成就是极其辉煌的．时至今日，物理学仍是一门充满生机和活力的学科，它的创造性进展仍日新月异，整个物理学，在21世纪将有一个更加辉煌的发展．由于物理学研究对象的扩展，从宏观到微观，从传统的物理过程到化学过程，从无生命到有生命，以至很难用传统的眼光来界定什么是物理学了．正如国外物理学家风趣地说：“什么是物理学？物理学家所做的工作就叫物理学．”例如，1995年在我国厦门召开的第国际统计物理学大会，有相当一部分论文的题目看起来不大像物理学，如“心率、蟑螂、曲折的河流、文字的存储”等．今天的物理学已代表着一套获得知识、组织知识和运用知识的有效步骤和方法，把这套方法运用到什么问题上，这问题就成了物理学．2001年3月2日，等党和国家领导人到北京展览馆参观了“863”计划15周年成就展，在展区内陈列着“世界上第一辆载入高温超导磁悬浮实验车”，“长了人耳的老鼠”，“种在海水里的蔬菜”，“高温气冷实验堆”等．这些成就均可划归到物理学的范围内，从这种发展趋势来看，中学物理教师必须跟踪物理学的前沿进展，按照物理学发展的趋势，改变我们单一的知识结构，以适应新形势的要求．

三、中学物理教师应掌握现代教育技术，改进物理教学方法

从传播学的角度看，教育是凭借一定的媒体与相应的教学方法与手段才能进行的活动．我国传统的教学方法与手段以传授知识为主，强调以课本、课堂、教师为中心，运用灌输式、一言堂的教学方法，使用黑板加粉笔的教学手段，这种现象对目前教学改革的进一步深化将成为“瓶颈”因素，严重地制约与阻碍了教学改革的深入．现代教育技术的发展，特别是多媒体教学、远程教育、网络教育的发展，突破了时间与空间的限制，极大地方便了中学物理教学，使中学物理知识与现代物理学的前沿知识更能有机地联系起来．如用微机来模拟宇宙大爆炸，使学生了解宇宙初始阶段的物理过程：从宇宙大爆炸开始，宇宙经历了一个由热到冷、由密到稀的演化史，经历了漫长的年代，弥漫的气体凝聚为气体星云，气体星云再慢慢地收缩成星系和恒星，逐渐成为今天我们所观测到的宇宙，这就为学生将来进一步探索宇宙起源和演化的奥秘，揭开暗物质之迷，建立新的时空观埋下了伏笔，从而为学生提供了广阔的视野．

现代教育技术可以使学生充分地利用视觉和听觉去获取知识，综合利用各种仪器进行学习，并极大地丰富了教学内容，可使学生在有限的时间里获取更多的知识，提高了教学效益．现代教育技术可以达到形声并茂，色彩逼真，表现手法灵活多样，寓教于乐，寓教于美，对学生掌握知识、形成技能、发展能力、提高素质都具有显著的促进作用．现代教育技术的多种功能，优化了教育教学过程，现代教育技术的发展，必然引起教育思想、教育观念、教育体制以至教学内容、教材形式、教学手段、教学方法、教学模式等方面的变革．

当然，现代教育技术绝不是强加在传统教育体系上的一堆仪器，也不是传统程序上的增添或扩大一些什么东西，只有当教育技术真正统一到整个教育体系中去的时候，只有当教育技术促使我们重新考虑和革新这个体系的时候，现代教育技术才具有价值，否则现代教育技术将无用武之地．诚然，现代教育技术能否成功地为中学物理教育服务，关键在于教师要学会对媒体的使用，并熟练运用现代教育技术的理论和方法指导教学活动及整个学习过程进行优化设计，促成有效学习发生在每个学生身上，这对中学物理教师掌握信息技术的水平提出了新的要求，为此，中学物理教师必须紧跟时展的步伐，了解物理学近展的前沿领域．

四、中学物理教师应积极参与物理教育科学研究

要提高广大中学物理教师的业务水平素质，必须进行教育科学研究，物理学的现代进展将为中学物理教师科学研究提供宽广的研究领域．用现代的观点来重新审视中学物理的概念、原理、规律、观点是否过时，各规律的相对位置是否发生了变化，在中学物理各部分内容的讲授中如何渗透现代物理知识等都是值得深入研究的．也许有的教师会认为现代物理学发展的前沿与我们相距遥远，把它们介绍给中学生更不现实，但事实并非如此．物理学的近展或前沿领域，是在原有内容的基础上骤步发展起来的，或者说，物理学的现代进展的根基仍然可以在基础物理中找到．物理学最新的发展其实离我们并不遥远，在中学物理教学过程中，完全可以向现代物理学前沿开“窗口”，也完全能够找到与现代物理学前沿相衔接的“接口”．著名物理学家杨振宁教授曾谈到：量子力学在20世纪30年展迅速，那时他在中学图书馆读到有关量子力学的中译本，尽管作为中学生，他对这门新学科不全部了解，但学科崭新的发展，奇妙的知识使他产生了一种向往，这与他后来专攻物理学不无关系．这就是一个很有说服力的典范．

物理学论文【第三篇】

认识人类自身、认识人类所面对的宇宙，是科学的根本任务，并由此而衍生出人类知识的两大系统——自然科学与社会科学。二者之间最深刻的关联在于：人对自身认识有多深，对外部宇宙的认识就有多深，它们是同步进行的。作为自然科学重要分支的物理学是建立在分析与实证基础上的。在科学飞速发展的今天，物理学的研究无论在宏观还是在微观上早已超越了感官经验的范围之外。这不可避免地带来一个困惑：我们以现有的感官经验去描述、解释远在我们经验之外的对象是可能的吗？要解决这一困惑，就必须转换逻辑思维的方式。对此，古老的禅宗哲学给了我们重大的启示。

一、禅宗与禅宗逻辑

“禅”或“禅那”是梵文Dhyana的音译，原意是沉思、静虑。佛教禅宗的起源，按传统说法，谓佛法有“教外别传，以心传心，不立文字”的教义，从释迦牟尼直接传下来，传到菩提达摩。达摩于梁武帝时（约520～526年）来到中国将心传传给二祖慧可（486～593年）。如此辗转相传，终于出现了以六祖慧能（638～713年）创始的南宗顿教，以后日益丰富发展，成为具有鲜明特色的中国佛学禅宗。禅宗是佛教的一个宗派，是“中国的佛学”，它是中国道家哲学与佛教空宗（亦称中道宗）相互作用的产物，对于中国哲学、文学、艺术有着极其深远的影响。禅宗所依据的主要典籍为《金刚经》和《六祖坛经》。

其实早在达摩来华以前，空宗的代表人物僧肇与道生等就在吸收与融汇中国道家思想的基础上，为禅宗的出现提供了必要的理论准备。如在道生的理论中，就有了“顿悟成佛”、“一切众生，莫不是佛”（《法华经疏》）等禅宗的基本思想。而在被僧肇所具体化了的关于三个层次的“二谛义”理论中（《肇论·般若无知论》），空宗所谓的第三层真谛即为禅宗之“第一义”。禅宗的一切修行以及最后的顿悟，都是为了成就作为其终极目标的“第一义”。这个第一义就是宇宙的本体、佛的本体，就是最后解脱的境界。

三个层次的“二谛义”理论认为：(1)第一个层次：普通人以为万物实“有”，而不知“无”。佛教认为万物实际上都是“空”、“无”。在这个层次上，认为万物是“有”，这是“俗谛”；认为万物是“无”是“真谛”。(2)第二个层次：认为万物是“有”与认为万物是“无”，都是片面的。因为“无”并不只是没有了“有”的结果。事实上“有”同时就是“无”。万物无时无刻不在变化之中，一物此时此刻的存在状态与其在另一时刻的存在状态是不同的，在这种意义上，此时此刻的“有”在另一时刻就是“无”了。故在这个层次上，说万物是“有”与说万物是“无”，都同样是“俗谛”。只有不片面的中道，认识到万物非有非无才是“真谛”。(3)第三个层次：说“中道”在于不片面（非有非无），这意味着进行区别，而一切区别本身就是片面的。故在这一层次上，说万物非有非无就是俗谛了。真谛是：万物非有非无，而又非非有非非无（《大藏经》卷四十五）。禅宗的第一义，指的就是这种“非有非无，而又非非有非非无”的境界。《金刚经》云：“……如来所说法皆不可取，不可说，非法，非非法”。这种“非非”的境界是经验之外的，是普通的逻辑思维达不到的，是不可言说的。所以“说似一物即不中”（《六祖坛经·机缘品第七》），“我向尔道是第二义”（《五灯会元卷第十·清凉文益禅师》），“道，可道，非常道”（《老子·第一章》）。

为了证悟禅宗的第一义，“只有打破和超越任何区分和限定（不管是人为的概念、抽象的思辨，或者是道德的善恶、心理的爱憎、本体的空有……），才能真正体会和领悟到那个所谓真实的绝对本性。它在任何语言、思维之前、之上、之外，所以是不可称道、不可言说、不可思议的。束缚在言语、概念、逻辑、思辨和理论里，如同束缚于有限的现实事物中一样，便根本不可能‘悟道’”[1]。而这也正是六祖慧能临终传授宗旨的“秘诀”：“先须学三科法门，动用三十六对，出没即菩提场，说一切法，莫离自性。忽有人问汝法，出语尽双，皆取对法，来去相因。究竟二法尽除，更无去处。……若有人问汝义，问有将无对，问无将有对，问凡以圣对，问圣以凡对。二道相因，生中道义”（《六祖坛经·付嘱品第十》）。应用六祖的这种“对法”，从“有”、“无”始，便可达到非有非无，进而证悟非非有非非无的第一义境界。

仔细分析禅宗的“第一义”以及六祖慧能的“对法”，不难发现，它实际上是给出了一种全新的逻辑，在此将其称为“禅宗逻辑”。

众所周知，作为逻辑演算的对象可以是事物、事物的类、事物之间的关系，也可以是命题之间的关系。禅宗逻辑同布尔逻辑[2][3]相似，也具有明显的类代数的特点。令全类为"1"，空类为"0"。以A和B分别代表两个类，也称之为选取符号。A代表在论域中选取所有A的结果，B代表选取所有B的结果，则

A=B表示两类之间有完全相同的分子；

AB表示两类相交，即逻辑相乘，代表既属于A类又属于B类的类；

A+B表示两类相并，即逻辑相加，代表或属于A所标记的事物的类，或属于B所标记的事物的类；

附图表示A的补类，即由论域中除去类A的事物的类。

按照上述的基本约定，在传统的布尔逻辑中，如果A表示类“有”，B表示类“无”，则明显有A+B=1，即类A和类B互为补类，即这意味着同时属于两个互补的类的类是可能存在的，即传统逻辑中的“不矛盾律”在禅宗逻辑中不一定成立。其次，由禅宗逻辑的基本求和公式可以清楚地看到，对于不可言说的本体的“认识”过程在逻辑上只能是一个无限逼近的渐进过程，这正从逻辑上显示了它的不可言说性的根源所在。逻辑原子主义的代表人物维特根斯坦曾指出：“我的语言的界限意味着我的世界的界限。……逻辑充满着世界；世界的界限也是逻辑的界限。”[4]原来不可言说的禅宗“第一义”是在传统的语言和逻辑之外的存在，现在随着逻辑的扩展，在禅宗逻辑框架内，它便不再是逻辑之外的存在了。逻辑扩展了，世界也随之扩展了。

根据禅宗逻辑的基本求和公式，在零级近似下（对应于在求和公式中只取n=0一项），逻辑求和公式变成：

A+B=1.

附图而这正是布尔逻辑，即布尔逻辑是禅宗逻辑的零级近似。可见禅宗逻辑比传统的只研究矛盾对立双方间的关系的二值逻辑具有更大的包容性。首先，它在逻辑对象上，除了包含互补的、矛盾的两个基本的逻辑类之外，它还同时容纳了与之相关联的其余所有可能的独立的类，这就为在逻辑上去研究“非非”之类（传统逻辑之外的、不可言说的）的对象奠定了基础。其次，就逻辑自身而言，禅宗逻辑包容了那些不矛盾律不再成立的逻辑，为逻辑自身的扩展提供了极大的可能性。

二、物理学中的“波粒二象性”与禅宗逻辑

物理学按照其研究对象的不同，可分为经典物理学和量子物理学（现代物理学）两大类。经典物理学所研究的是人们感官经验之内的物质客体，适用于牛顿力学。站在经典物理学的立场上，一个具体的物质客体只能以粒子的方式或波动的方式存在，不存在其它的可能存在方式，即一个物理客体要么以粒子的方式存在，要么以波动的方式存在。以粒子的方式存在的客体在某一时刻具有确定的空间位置；以波动的方式存在的客体在某一具体时刻在全空间存在而不具有确定的空间位置，例如水波和声波等。无论是经典的粒子还是经典的波，它们都存在于人们的经验范围之内，是看得见摸得着的。借助于牛顿力学理论，人们可以运用日常经验中的语言、概念来描述、理解它们，而不会产生任何逻辑上的困难。

物理学研究一旦深入到微观的领域，它的客观对象（如原子）就不再是人的感官所能直接体验的了。微观客体的微观运动本身已不再是感官所能直接观测和认识的对象。为了“认识”微观客体及其运动，只有借助于复杂的科学仪器，通过人工安排的科学实验，观测由其引起的在仪器中发生的某种不可逆放大过程所导致的宏观可观察效应。这种通过仪器的读数所“认识”到的对象已不再是微观客体本身，而这又是对微观客体的唯一的一个认识途径，即只能这样来认识微观客体，对微观客体的认识就是这种意义上的一种“认识”。

在通过各种科学实验对微观客体的研究中，人们发现微观客体（原子、电子等）在某些条件下表现出粒子性的一面，而在另一些条件下又表现出波动性的一面，这就是所谓的“波粒二象性”问题。微观粒子在某种意义上既是粒子又是波，既不是粒子又不是波，也不是粒子和波的简单综合。这种“波粒二象性”在经典物理学框架内是完全不可理解的。“物理学家们在原子物理学初期面临的自相矛盾的境遇与之（指禅宗）惊人地相似，与禅宗的情况一样，真谛隐藏在佯谬之中，这些佯谬不能用逻辑推理来解决，而只能靠一种新的认识来理解。”[5]尽管物理学家们无法在逻辑上解决“波粒二象性”佯谬，但是经过许多人的努力，最终在数学上建立起了一套完备的理论体系——量子力学来描述微观客体的运动。在量子力学体系中，微观客体一般就表现为一个数学上虚的态函数，它可以通过薛定谔方程来确定。但是，无论如何量子力学的数学形式理论本身并不能给出关于微观客体波粒二象性的物理解释，因为数学上的虚数无论如何是无法同外在的客观存在相对照的。1927年，物理学家玻尔提出了所谓的“互补原理”来解释微观客体的“波粒二象性”问题。“玻尔把两种图象——粒子图象和波动图象——看作是同一个实在的两个互补的描述。这两个描述中的任何一个都只能是部分正确的，使用粒子概念以及波动概念都必须有所限制，否则就不能避免矛盾。”[6]不难发现玻尔的互补性解释只是一种哲学上的尝试，并没有从根本上解决由“波粒二象性”所导致的逻辑困难。

通过上述分析可知，传统逻辑是无法解释微观客体的“波粒二象性”疑难的，唯一的出路是求助于比传统逻辑包容性更大的新的逻辑。本文所给出的禅宗逻辑正好可以用来解释“波粒二象性”问题。首先，波和粒子作为两个类在传统逻辑（经典物理学框架内）上是完全互补的两个类，因此可令：A表示粒子，B表示波，翻译成逻辑的语言就是：在逻辑上存在这样的类，它同时既是粒子又是波。物理学上的微观粒子就正好是这样的一种客观存在的类。这又从另一个方面证明了微观客体所遵循的逻辑是禅宗逻辑的一级近似的结论的正确性。

三、总结

禅宗哲学（包括禅宗逻辑）同现代物理学之间的平行性，早已引起过人们的关注。玻尔在1937年访华时就曾被中国的对立两极的概念所震惊。而美国著名物理学家F.卡普拉则更是为这种平行性所吸引，写出了轰动一时的《物理学之“道”——近代物理学与东方神秘主义》一书。尽管有许多人都意识到了现代物理学与古老的中国哲学思想之间具有某种相通性，但没有人能明确指出其背后的根由。通过本文的研究，不难发现这种平行性、相通性的根源在于二者所研究和指向的对象都遵循相同的逻辑——禅宗逻辑。禅宗逻辑的对象是感官经验之外的，是日常的语言、逻辑所不能言说的，物理学所研究的微观客体同禅宗所要证悟的最终本体恰恰都是这种对象。人的思维离不开形象、直观，离不开日常经验中的语言、概念和逻辑，而禅宗所要证悟的本体和物理学所研究的微观客体却又都是直接经验之外的存在，是无法从形象和直观上把握的。正如玻尔所指出的：“物理学面临的困难来源于我们被迫使用日常生活的词汇和概念，即使我们是在从事于精炼的观察也如此。我们除用粒子或波就不知道其他描写运动的方式。”[7]因此要想“认识”和“把握”这类对象，就只有超越传统逻辑的束缚，应用全新的包容性更大的逻辑进行思维，才能将其重新纳入到逻辑的框架之内加以“言说”、“认识”。

收稿日期：2002-08-30

参考文献

[1]李泽厚。中国古代思想史论[M].合肥：安徽文艺出版社，

[2]朱水林。形式化：现代逻辑的发展[M].北京：人民出版社，

[3]马玉珂。西方逻辑史[M].北京：中国人民大学出版社，

[4]［奥］维特根斯坦。逻辑哲学论[M].郭英译。北京：商务印书馆，

[5]［美］卡普拉F.物理学之“道”——近代物理学与东方神秘主义[M].朱润生译。北京：北京出版社，

[6]［德］海森伯。物理学和哲学——现代科学中的革命[M].范岱年译。北京：商务印书馆，

物理学论文【第四篇】

模型化指的是在研究和探索事物的过程中为了便于发现其中本质和规律而建立的一种抽象的，理想的事物形态是对某些事物中所包含的本质及规律采用逐步逼近的描述方法。例如，在电学中研究电荷间的相互作用时，其作用力的大小受带电体的形状、大小、所带电荷量的多少、电荷的分布、电荷之间的相对位置及介质等诸多因素的影响，若不分主次的考虑各种因素，会感到无从下手，也就无法得到最终的结果。在人类历史发展过程中，通过大量实验表明：随着电荷间距离的增大，带电体的形状、大小、电荷的分布等因素的影响逐渐减小，距离增加到一定程度时，起决定作用的就是电荷的电量和介质的介电常数，其形状大小、电荷的分布可忽略不计．从而建立起“点电荷的理想模型这样．突出了对所研究问题起主要的因素忽略次要的因素，建立“理想模型”，有效的解决了对复杂问题的研究。库仑定律描述的就是两个点电荷之间的相互作用规律在研究气体的性质和描述气体的物理量间的关系中，麦克思韦建立了气体模型：气体是由很小的、完全弹性的、只在接触时才发生相互作用的固体小球组成的系统从而奠定了气体分子运动论。在此基础上进一步对气体进行模型化：当分子间的距离接近十倍或大于十倍分子直径时，就可以忽略分子之间的相互作用力，从而建立了理想气体模型。这样就比较容易得出描述气体的物理量间的关系一一气体状态方程。显然，如果没有“点电荷”这个理想模型的建立，就没有库仑定律。没有气体模型和理想气体模型的建立，就没有气体状态方程。同样，如果没有质点的建立，便不会有牛顿定律和万有引力定律。物理学中的物理模型非常多，如铁磁性物质磁化模型、稳恒电流模型、原予核式结构模型等等。可以说，物理的全部定理、定律和公式都是对物理模型的刻画。物理模型化是物理学研究普遍采用的方法，是建立和发展物理理论的重要手段离开物理模型，物理学的研究就寸步难行。

2物理过程的理想化

自然界中各种运动过程非常复杂，为了研究问题的方便我们可以忽略次要因素，突出物体运动的主蔡特征和规律，把运动过程想象为一种简单化的、实际上不存在但又经得起实践验证的运动过程。

在研究物体的碰撞问题时，认为该系统只在碰撞物体间内力的相互作用下发生的，其他力与内力相比，均可以忽略不计。在此条件下，这一系统遵循动量守恒定律。而完全弹性碰撞规律又是建立在理想碰撞的这一理论过程的基础之上，只要相互的物体所受合外力为零，而且物体间相互作用的内力存属弹力，这样的形变就能完全恢复。显然整个碰撞过程只存在动能和弹性势能之间的相互转化，因此碰撞前后系统动量守恒。力学中研究物体在光滑平面或无摩擦轨道上的运动过程，热学中研究珲想气体等质纂过程中能量的转换等都采用的是理想化过程。所谓等容、等压、等温及绝热过程也是理想化过程。

同样在研究地球表面上物体的下落运动时，往往被视为自由落体运动，那是因为在落体运动过程中忽略了空气阻力、重力随高度变化等因素，认识物体只在恒定的重力作用下的下落过程。显然，满足自由落体运动条件的物体在自然界中无法实现，但在许多情况下，物体的下落很接近自由落体，完全可以用自由落体运动规律来处理，所以自由落体理想过程的建立有着重要的现实意义。

物理学中的过程处处可见，如所有运用机械能守恒定律处理的运动过程、匀速直线运动过程、原予核的衰变过程等等。理想过程是对实际过程的一种科学的近似，也是对实际过程进一步研究的基础。对理想过程的研究，很容易发现实际过程中所包含的规律，能更准确更深刻的抓住问题的实质。这种方法也普遍运用于其他领域。

3物理实验的理想化

物理学是一门建立在实验基础上的学科，物理概念的建立以及物理定理、定律的发现，往往是以实验事实作为依据的，已经建立起来的物理定理或理论，也必须经得起非常严格的科学实验的检验，同时，它又指导实验，并在新的实验的基础上逐步完善理论。

理想实验是一种假想的实验，是人们在思想意识中塑造的一种理想过程，但它是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法。它不是脱离实际的主观意想，因为理想实验是以实践为基础，是在真实的科学实验的基础上，抓住主要因素，排除次要因素，对实际过程作出更深层次的抽象分析，指出客观现象的过程之间的内在联系及其规律，并由此得出重要结论。

爱因斯坦就十分重视理想实验的研究，他通过设想的闪电理想实验，提出了同时性的相对性概念。他设想当两道闪电同时下击一条东西方向的铁路轨道时，对站在两道闪电中的观察者来说，这两道闪电是同时发生的，但是对于乘坐一列由东向西高速行驶的火车上的观察者来说，这两道闪电不是同时下击的，同时性的相对性概念是建立狭义相对论的一个关键。伽利略的“平斜槽”理想实验，一方面使人们对力和运动的关系的认识有了划时代的转变，阐明物体的运动并不需要外力来维持，既奠定了牛顿第一定律的建立，另一方面又论证了自由落体运动是匀加速直线运动。而惯性定律是无法用实验验证的，很多的自由落体运动也不便通过实验验证，而采用理想实验来论证，人们可以深信不疑。人类历史的长河中的大量实践已证实了理想化方法的合理性，并在科学研究中已成为一种独特的、无法替代的理论思维方法。

论文关键词：模型化理想化理解过程

论文摘要：理想化方法是人们在认识事物、探索事物内在本质及规律的过程中形成的一种理论思维方法。物理学中的很多概念、定理和定律的形成，都是在通过对研究对象进行抽象概括，对研究过程进行简化的条件下得来的。本文以物理学中所涉及的部分概念、定理和定律为例，并结合多年来教学中对他们的认识和理解，针对物理概念如何模型化、物理过程以及物理实验如何理想化进行阐述，这样有助于对物理概念、定理和定律的进一步理解，也是研究和探索其他事物的一种很好的手段。

在研究物理过程中，往往由于过程的影响因素比较多，要发现过程中的本质及规律不容易的，或者是不可能的．因此我们需要对整个过程或过程中的某一部分进行假设而建立过程简单化的理想模型，目的是抓住问题的主要的、本质的因素．舍弃其次要的、非本质的因素，变复杂条件的实际过程为简单的理想化过程。这样。我们就可以透过事物的表面现象，比较容易地发现事物的本质及变化规律。物理学中的许多物理概念和物理定理、定律就是通过这样的方法建立起来的。所以，理想化方法是物理研究中广泛采用的理论思维方法之一。

物理学论文【第五篇】

关键词：惯性；存在；时间；空间

惯性是经典力学中的一个基本概念，同时它又是人们日常生活中的一个基础性观念，并且惯性问题也是经常被物理学界讨论的一个话题（1）。可是，尽管经典力学经过了漫长的发展时期，大部分的物理教师在此问题上还存在着很多的混乱性（2），本文试从几个方面对惯性进行了讨论，望引起大家的共识。

一、惯性的意义

大家知道，惯性是物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质（3）。一个物体，只要不受外力作用，原来静止的就会一直静止下去，而原来运动的则会一直作匀速直线运动。这里的问题在于：惯性是否是物体的性质？依据牛顿第一运动定律，任何物体均具有惯性。因而，看来惯性不是被研究物体的性质，因为这一性质是一切物体所具有的，也就是说它与物体的个别特征无关。因而，惯性只能是存在的一个特征，是被研究对象周围的环境在此对象上的表现。换一句话说，它是存在于物体周围的一种条件，一种约束。

二十世纪初，德国数学家诺特尔（4）证明了：空间平移对称性导致动量守恒、空间转动对称性导致角动量守恒、而时间均匀性导致能量守恒。事实上，物体的惯性是时间均匀性与空间对称性的必然结果。因而它与个别的特殊研究对象无关。惯性不是个别存在物的性质，个别存在物只是惯性的显现者，惯性的本质与个别存在物的特性无关。从而我们就不能用反映个别存在物性质的量（例如质量）来测度惯性。因为惯性作为存在的一种显现，并无大小可言，它只是存在之状态的表达。

二、惯性与物体运动状态变化的难易程度无关

通常认为质量是物体惯性大小的量度是据于这样的理由：质量大的物体在相同的力作用下其运动状态不容易改变。这是由牛顿第二定律所得到的基本结论。而事实上物体运动状态是否变化，物体运动状态的变化是难还是容易是与惯性无关的。惯性所揭示出的物体之性质不在于其使（或抗拒）物体运动状态的改变或代表改变的难易程度的能力，而在于它的保持某种特定状态（静止或匀速直线运动）的本领：在最相似的物之间，错觉说着最巧妙的谎；最小的罅隙是最难度（5）。因而惯性与物体的质量无关。倘若惯性与物体的质量有关的话，则我们也可以说力与惯性也有关系。因为对于相同质量的物体而言，力越小其运动状态就越难改变。因而，也即力越小物体的惯性越大。事实上，在惯性概念发展的最初时期，牛顿就将惯性与力进行等价的思考，当然现在大家知道牛顿的把惯性等同于力的思想是错的了。如果要说质量与惯性确有联系的话，作者以为也只能从这样的一个视角来看：惯性是由其表现物体周围存在着的与时空有关的天体质量分布情况决定着的性质。这是因为，根据广义相对论，空间的性质是由天体质量的分布所决定的。至于时间，自从奥古斯丁（6）提出“什么是时间？”以来，人们还没有认清它的真面目，也因而从更深的层次上而言，人们只认识到什么是惯性而还没有搞清惯性是什么。

惯性不是一种由个别物体自身所具备的原因（诚然，所有物体均会表现出惯性），它不是我们的一种吃力的、需要支撑的、痛苦感的反映，事实上，它是存在之美感的绽开。因而“惯性是物体对任何改变其运动状态的外来作用的阻抗的性质”（7）这样一种说法就是不当的。因为这一注释还是从对牛顿第二定律的基本分析而来的，在这一注释中已经隐藏了牛顿第二定律及对惯性与物体质量等价的认同感。其实，惯性是一种令人十分安全的、舒适的、和谐的存在之性质，它使物体的存在行为非常简单，而人们也往往由于常见到这种存在的简单性而忽视了它的深层含义。静止的永远静止，运动的永远作匀速直线运动，惯性就是将存在如此单调而重复地显现在人们眼前。凡是背离了这两种物体的存在情况而用惯性去解释其存在原因的，作者以为均属一种不当的诡辩行为。可是这种诡辩行为不仅麻木了人的脑神经而且充斥着各种各样的教科书（8），我们来看一些下面的例子。

例1．惯性也有不利的一面，高速行驶的车辆因惯性而不能及时制动常造成交通事故。所以，在城市的市区，对机动车的车速都有一定的限制，以利于行车安全。（9）

在这里，不能及时制动是由于惯性还是由于制动力不够大？略作思考，读者就可判断出是由于后者。将惯性看成一种破坏力是十分荒唐的。而发生交通事故的真正原因是，由于车辆质量较大，而相应的制动力在如此质量的物体上所产生的加速度很小，不能使车辆很快地减速，从而在短时间内停下来。倘若对于质量较大的车辆来说制动力也允许更大，那么作者认为还是可以在一定的时间内制动车辆的。

并且，这个例子中的“高速行驶的车辆”及“对机动车的车速都有一定的限制”的字句很容易使学生认为惯性和物体的运动速度有关。这对于初学者来说是一个很大的误导。

例2．把斧柄的一端在水泥地面上撞击几下，斧头就牢牢地套在斧柄上了，这是什么缘故呢？（10）

通常标准答案是这样的：开始斧头和斧柄同时向下运动，当斧柄遇到障碍物时突然停止，而斧头由于惯性保持原来的运动状态，这样斧头就牢牢地套在斧柄上了。

事实上，斧头在斧柄上套牢是由于斧头克服了阻力相对于斧柄运动了一段位移，而惯性不是克服某种阻力使斧头运动的原因。在此问题中的一个效果是斧头相对于斧柄产生了某种（克服一定力的）运动，因而我们必须以斧柄为参照系来考察此种运动的实质。当以斧柄为参照时，实际上斧柄在撞击的过程中是一个非惯性系，它相对于惯性系有一个向上的加速度。因而斧头在此参照系中必受到一个向下的“惯性力”，正是此力与斧头的重力克服了斧头与斧柄之间的弹力与摩擦阻力使斧头相对于斧柄前进了一段位移，从而使斧头在斧柄上套牢。如果一定要以地面为参照系来看斧头在斧柄上套牢的问题，那么可以这样认为：虽然斧头在斧柄上向下套牢的过程中没有受到除重力以外的向下的另外力，但相对于地面而言斧头具有一定的动能和重力势能，正是这个能量克服了阻力作功从而转化为内能。所以从效果上看，一是斧头相对于斧柄向下移动了一段位移，二是斧头与斧柄的接触面上在发热。

如果仅从动力学的角度来看，斧头在斧柄上套得牢不牢是由其受到的作用力大小与作

用时间（或所通过的位移）所共同决定的，也就是说它和斧头相对于斧柄的动能或动量变化有关。斧柄在“水泥地面”上“撞击”这两个条件只是使斧柄产生了相对于水泥地面的较大的动量变化率，从而也使斧头具有了相对于斧柄的惯性力。但是，虽然这个惯性力构成了斧头套牢在斧柄上的直接原因，可严格地说，斧头在斧柄上套得牢不牢的原因还和斧头的重力及斧柄的弹性和斧头与斧柄的摩擦力大小均有关系。并且斧头在斧柄上套得牢不牢和作用时间也大有关系，因而，撞击“几下”也是一个非常重要的条件。

例3．小车上竖直放置一个木块，让木块随小车沿着桌面向右运动，当小车被档板制动时，车上的木块向右倾倒。这是怎么回事呢？（11）

教科书上的答案是这样的：小车突然停止的时候，由于木块和小车之间的摩擦，木块的底部也随着停止，可是木块的上部由于惯性要保持原来的运动状态，所以木块向右倾倒。

事实上，本例中小车上木块的倾倒是由于力矩作用的缘故。若以地面为参照物，小车对木块的摩擦力对木块的重心而言有一个顺时针旋转的力矩，从而木块向右倾倒。若以小车为参照物，小车被档板制动时已是一个非惯性系，作用在木块（重心）上的“惯性力”对木块的底端也产生一个使木块作顺时针旋转的力矩。

需要指出的是，在上述例2和例3中，斧头在斧柄上套牢和木块在小车上倾倒已是一个涉及物体在非惯性系中的动力学的问题。其中例2是非惯性系中的质点动力学问题，而例3则是非惯性系中的刚体动力学问题。可是，在非惯性系中，我们通常意义上所论述的牛顿第一定律已不成立，从而也失去了此两例的代表意义。也就是说，这两个例子不仅是不准确的解释而且是不适当的例子。在涉及惯性的问题上我们必须分别那些是属于惯性现象，而那些则不属于惯性现象——即为动力学现象。牛顿的例子，毫无疑问是正确的（12），但我们许多的物理学工作者却将惯性对事物的解释范围作了相当随意而并不恰当的扩展或扭曲。其实在讲述惯性时，用不着举更新鲜的特别例子，倒是需指出惯性使我们对事物常态的存在方式太熟视无睹了。这里问题的关键在于，惯性不是使物体改变运动状态（使火车制动、使斧头套牢在斧柄上、使小木块倾倒）的原因。严格地说，这些原因和物体的惯性无关，只和力有关，而至于火车制动得及时不及时，斧头套在斧柄上牢不牢，小木块倾倒得快不快，则不仅与力有关，还和物体的质量、形体、初速度有关。但即使如此地与质量和初速有关却也与惯性无关。

惯性，这个我们通常认为是由物体内在因素决定的性质，其实是物体存在方式的一种条件性：“试取汽车为参考系统来研究‘当汽车急剧刹车的时候，车中乘客有向前倾倒的倾向’这个问题，在汽车急剧刹车前，相对于汽车而言，乘客是静止的，在汽车急剧刹车时，乘客突然向前倾，这就是说，以汽车为参考系统，乘客由静止而突然向前倾，并不保持其静止状态，并不表现出惯性”（13）。这个条件就是：物体要表现出惯性，它必须处于惯性参考系中。而“事物的存在顽强地延续维持不变，无论运动是快是慢抑或停止。”（14）也只在惯性系中才成立。在研究物体的运动学与动力学问题时，惯性系总有着特殊的地位。可是，这个特殊地位的存在并不单单是人类抽象理性的功劳，并不是人类贪懒和间集化的一个报应，惯性系的存在有其形而上的基础：自然之美的呈现及人对自然之美呈现体认的同一性。如果没有了存在的时间均匀性与空间对称性，我们选取的相对于地面作匀速直线运动的参考系对研究动力学问题而言也就将成为一个畸形的怪胎。惯性系不仅在计算上向人类提供了联系物体的相互作用与相对运动的便利方式，其更根本的是它使人与存在的关系成为审美性的。惯性定律给我们的启示是：存在是美的。而惯性系则是自然对人的一个馈赠。也因而，我们应当从审美的视角来看待惯性，而不应当将它看成一个恶魔或一件便宜货。

所有的老师都要求学生不要把惯性与惯性定律混为一谈，可是当我们的老师用动力学的观点来看待惯性——也就是说，把惯性与牛顿第二定律混为一谈的时候，对学生的这一期望是合适的吗？其实这是一个误区：当教完一些物理学的基本概念与规律以后，就要求学生用它们解释自然现象。事实上，物理学中有些基本概念与规律不是要求我们去解释自然现象，它没有这个功能，它只是告诉我们要去感受些什么，它提供给我们的不是一种推理的方式，而是一个判断的原则：它促成我们的判断更接近于自然之美的呈现。

三、惯性定律与牛顿第二定律的关系

当物体所受的合外力为零时，从牛顿第二定律可知物体处于静止状态或作匀速直线运动。可是，仅依据这一点却不能认为牛顿第一定律是牛顿第二定律的一个特例。因为这两个定律的论述对象其实是不一样的。牛顿第二定律的研究对象是一个物体，而牛顿第一定律论述的是整个存在的性质。惯性——这个任何物体均具有的性质其实不是我们的个别研究对象所具有的性质，因为这个“任何物体”，包括了天地间的万物，而万物的总称（15）即是宇宙：“四方上下曰宇，古往今来曰宙”。也即任何个别的物体都不可能无条件地具有惯性：惯性是存在的特性，是存在着的时空的特性，是宇宙的特性。

其次，牛顿第二定律是关于个别物体因果性的规律，而牛顿第一定律却与个别物体的因果性无关，它是存在之状态的表述，它的表述是与具体的特定的时间无关的、瞬时性的。正是这种非时间性（16）构成了牛顿力学的本质特征。也正是牛顿第一定律所成立的时间均匀性与空间对称性构成了惯性系的特殊地位，从而使我们可以在牛顿第二定律的意义上来研究物体的动力学关系。因为毫无疑问，物体的运动性质和规律与采用怎样的空间和时间来度量有着密切的关系（17）。由此可见，不仅牛顿第一定律不是牛顿第二定律和特例，恰恰相反，现行的动力学规律正是牛顿第一定律所揭示的存在之性在具体的个体事物上的展现。惯性定律比牛顿第二定律具有更强的基础性。也就是说，正是惯性现象，构成了牛顿动力学所以成立的操作平台。由于物体在不受外力作用下保持其速度不变，因而物体运动速度的变化才跟物体的受力相关。

最后，牛顿把惯性定律放在三个运动定律的首位也是与其对自然的信仰因素有关的。因为在文艺复兴之前的绝大部分思想家继承了亚里士多德关于物体运动内在决定论的观点。但在牛顿看来，基本的物质粒子

完全是惰性的，没有任何自发的运动，而电、磁、光这些‘非物质’的力量则成为神在自然中的行动的载体（18）。也就是说，惯性定律内隐含着牛顿否定亚里士多德运动观的内在目的论从而建立新力学的形而上基础。

四、惯性与具体物体的质量无关

从上面的讨论可以看出：“质量是物体惯性大小的量度”这个论题，在几个角度去看都是错误的。第一，质量不是物体惯性大小的量度。个别研究对象的质量与其所揭示的惯性毫无关联。因为这两者从数量上来看是一对无穷大的关系，从内容上来看是个体与存在的关系，在它们之间，人类的理性不可能找到逻辑上的因果链。第二，“物体（的）惯性”这样的说法缺乏依据，因为惯性不是物体的性质。物体只是作为惯性的表现者而存在的。第三，“惯性（的）大小”这样的说法也缺乏依据，因为惯性没有大小，惯性只是存在的一种表达方式，一种特定状态的显现。第四，既然惯性并无大小，我们也不可去进行量度，事实上，任何一本教科书上也没有指出惯性与质量的函数关系，因为这一函数关系并不存在，它只是人们的一个虚假的逻辑推测，谁也不能证明质量与惯性成正比或不成正比，更不能得出它们之间的比例系数，因为这些关系均是虚假的。因而，物理学界流传的物体的惯性等于它的质量（19）只是人们一个随心所欲的错误言说。

由于物体质量与惯性无关，所以，将牛顿第二定律中的质量称为惯性质量就是不当的，质量的确对物体运动状态的改变有一种象力一样的阻抗作用，质量在改变物体运动的状态上而言似乎有一种“消解”、“抗拒”力的性质。因而作者认为可将现行的“惯性质量”改称为物体的“抗性质量”。正如牛顿所说：“物体只有当有其他力作用于它，或者要改变它的状态时，才会产生这种力。这种力的作用既可以看做是抵抗力，也可以看做是推斥力。（20）”因为质量与物体运动状态的变化快慢有关，它事实上具有动力学特征，当一个物体的质量大时，它对运动状态改变的阻抗能力就越大。

从逻辑上而言，我们只有将惯性从物质的内在因素中解除出来，才能完全地克服牛顿时代的机械论自然观与牛顿第一运动定律之间存在着的深刻矛盾。也就是说，这样才能使牛顿第一定律恰如其分地建立在由文艺复兴所形成的机械论而不是亚里士多德的目的论的形而上学基础之上。

五、惯性定律的表述方式

牛顿第一定律是动力学定律的基础，但它本身并不表征物体的某种动力学性质，它是关于人类体认自然之美、自然之和谐的陈述。据于上面的论述，对牛顿第一定律的陈述方式作以下的要求是并不过分的：反映时间的均匀性，空间的对称性，及自然之美对人的呈现。可是，现行的许多教科书中对牛顿第一定律的陈述是很不一致的。当然，这种不一致性用老眼光来看是无伤大雅的，但以今天的眼光来看，这种差异性就成为值得商讨的了。

例如：一个物体，如果没有受到其他物体的作用，它就保持自己的静止状态或匀速直线运动状态（21）。这样的陈述可能离惯性定律的本义较远，因为这一陈述的方式是在动力学的维度上来进行的，陈述的对象是“一个物体”。这和牛顿第二定律的研究对象是一致的，这样方式的陈述毫无疑问地可以把惯性定律认为是牛顿第二定律的一个特例，因为“如果没有”这几个字就表达了陈述事件的某种特殊性。

另外一种常见的陈述方式是：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。（22）这样一种表述比前一种完整多了，它几乎就是牛顿的原义，但这里的“一切物体”应当换成“任何物体”（23）。因为在此论述中的“任何物体”实际上是对一切物体的否定，而“有外力”应当换成“其它物体的作用”，因为惯性定律是不涉及力的，操作意义上的力这个动力学的基本概念与惯性无关。

作者试着这样来陈述惯性定律：存在着的宇宙有这样一种性质，它使任何物体在没有受到其它物体作用的时候总保持静止状态或匀速直线运动状态。或许，这样的一种陈述方式是较明晰的陈述方式，它强调了惯性与惯性的表现者（个别研究对象）的严格区分，这个陈述的主语是性质，这样的陈述才可称为关于“惯性”的定律。而我们也应当将惯性定义为：使物体保持静止或匀速直线运动状态的性质。

六、人们误解惯性的来源

人们在惯性问题上所犯的错误认识，既来源于历史上人们对于和惯性概念相联结的力与物体运动关系的一贯表达方式，又来源于牛顿的表述与对于牛顿力学理解上的偏差。“事实上，牛顿似乎注定要被人误解”。（24）

在牛顿所陈述的第一定律中：（25）“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（Everybodypersistsit’sstateofrestorofuniformmotioninastraightlineuntilitiscompelledbysomeforcetochangethatstate.）”。牛顿对“除非有外力作用于它迫使它”作出了对应的理解，即认为保持其静止或匀速直线运动状态的物体是由内部原因的，这个内部原因即称为惯性：“visinsita,或物质固有的力，是一种起抵抗作用的力，它存在于每一个物体当中，大小与该物体相当，并使之保持其现有的状态，或是静止，或是匀速直线运动”。（26）在牛顿时代，作出这样的判断是无可厚非的：“一个物体，由于其物质的惰性（现称惯性——译者注），要改变它的静止或运动状态就极其不易。因此这种固有的力可以用一个最确切的名称‘惯性’或‘惰性力’来称它。”（27）因为在牛顿时代是无法判定惯性的本质的。从牛顿的这一段话我们大致可以判断出，他几乎是在第二定律的意义上来领会惯性的，因而他才认为（惯性）大小与该物体的运动和质量有关。

这一观点可以追踪到亚里士多德，它影响了包括牛顿在内的一大批科学家的思维方式。在牛顿之前的开普勒也就惯性说过（29）：“如果天体不赋有类似于重量的惯性，要使它运动就不需要力，最小的动力就足以使它有无限的速度，但由于天体公转需要用一定的时间，有的长些，有的短些，因此非常明显，物质必须具有能说明这些差别的惯性”；“惯性，或对运动的阻力是物质的一种特性，在给定的体积中，物质的量愈多，惯性愈强。”由此我们也可见，在开普勒那里已经有惯性等同于力与质量的观点了。

从上面的论述可以看出，人们对于惯性的错误理解主要是由历史原因所造成的，这个原因主要在于：人们普遍地认为事物外在的状态是有其内在原因的。当人们

在物体之外找不到令人信服的可感觉的原因的时候，就只能把它归因于物体的内部。牛顿将惯性归因于物体的内部，把惯性看成阻碍物体改变其静止或匀速直线运动状况的内力，他假设的惯性非常接近布里丹的冲力——即：惯性作为一个内力，在缺乏外部动力或阻力时，会引起无定限的直线运动（30），另一方面，牛顿的惯性观又来自于他对古希腊关于自然具有灵魂观念的继承，我们可以从他的著作中强烈地感到，他具有自然界的物体与人一样会在受到作用时产生反作用这样一种强烈的思想意向。显然，在现代人看来，自然界的物体是与人具有本质区别的。

在牛顿以后，欧拉则将牛顿关于visinsita的比较隐晦的注释作了同牛顿之前的有些科学家的直感一样的有一定危险性的表白：“惯性是物体保持静止或保持匀速直线运动的能力．．．．．惯性的大小与质量成正比例。”（31）可是现在看来，这种危险性中是带有错误的。从那以后到现在，人们对于惯性的理解基本上是庸俗性质的。随着现代物理学的发展，特别是诺特尔之后，我们可以认识到使物体保持静止状态或匀速直线运动状态的原因并不在物体的内部、也跟力无关，而是由于物体所处的时间均匀性与空间对称性。也就是说，我们必须对牛顿意义上的惯性作出更开放性与发展性的理解，牛顿的visinsita（惯性是一个消极的本原，靠此本原物体维持它们的运动或静止，按照作用力的大小接受运动，按照受到阻力的大小抵制运动。（32））可以深入为两个层面的结论：在没有外力的作用下，一个物体，它能保持静止状态或匀速直线运动是由于惯性，即时间均匀性与空间对称性；在同样大小的力的作用下，一个物体它的运动状态较难改变是由于它的动力学特性——抗性，即它的质量较大。

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