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力的本質(zhì)是什么,?

 _鯤 2017-02-23
力的本質(zhì)是什么,?
馬海飛
(http://blog.sina.com.cn/gfis2013年1月10日)
“力”是物理學(xué)中一個(gè)非常基本的概念,。但是,,至今為止,人們對(duì)“力的本質(zhì)”是什么還沒有一個(gè)確切的認(rèn)識(shí),。一般來(lái)說(shuō),,“力”被定義為“是物體之間的相互作用”,或者“是改變物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”,。但是,,這個(gè)定義僅僅適合作用力的場(chǎng)合,并不適合像萬(wàn)有引力現(xiàn)象中的“力”,。眾所周知,,“物體之間的相互作用”必須要有兩個(gè)物體同時(shí)存在。但現(xiàn)有的萬(wàn)有引力理論認(rèn)為“引力場(chǎng)”是由“引力”構(gòu)成的,,而引力場(chǎng)的存在并不需要兩個(gè)物體,,只要有一個(gè)物體就會(huì)有所謂的引力場(chǎng)存在。這“一個(gè)物體”是如何產(chǎn)生出引力來(lái)的,?另外,,所謂的“改變物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”的具體表現(xiàn)就是在改變速度(包括加速度)上。而在萬(wàn)有引力現(xiàn)象中的引力加速度是不能改變的,。在同一個(gè)位置上的引力加速度對(duì)任何物體而言都是一樣固定不可變的,。所以,用同一個(gè)作用力的概念去理解萬(wàn)有引力是行不通的,。那么萬(wàn)有引力和作用力有什么區(qū)別呢,?這個(gè)答案就必須從“力的本質(zhì)是什么”這個(gè)回答中去找。
1.“力”對(duì)應(yīng)的物理現(xiàn)象,。任何一個(gè)物理概念必須要對(duì)應(yīng)一定的物理現(xiàn)象,,否則那個(gè)概念就是沒有實(shí)際的物理意義?!傲Α钡母拍钜膊焕?。那么什么樣的物理現(xiàn)象對(duì)應(yīng)于“力”呢?首先,,力的產(chǎn)生條件之一是“必須要有兩個(gè)物體同時(shí)存在”,。一個(gè)孤立的物體是不可能產(chǎn)生出力來(lái)的,。其次,“兩個(gè)物體之間必須要有相互作用”,。而且這種相互作用必須是硬碰硬的實(shí)體之間直接接觸的相互作用,。這里所說(shuō)的“實(shí)體”就是廣義的“具有質(zhì)量的物體”,它是與“場(chǎng)”不同的物質(zhì)存在形式,。因此,,這個(gè)“廣義的實(shí)體”包括了氣體、液體和固體等所有“質(zhì)量屬性物質(zhì)”的存在形式,。任何一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體都可以用一個(gè)“質(zhì)點(diǎn)”來(lái)表示,。因此,“力”是在兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)(實(shí)體)之間的直接相互作用下產(chǎn)生出來(lái)的,。在兩個(gè)“非直接接觸”的實(shí)體之間是不可能有“力”存在的,。另外,力是可以測(cè)量出來(lái)的,。單憑計(jì)算得到的結(jié)果并非是真實(shí)存在的力,,那個(gè)“力”只能是:如果在相同的條件下兩個(gè)物體的實(shí)體之間相互直接作用時(shí)“將會(huì)”產(chǎn)生出來(lái)的“潛在”力。
2. F=ma與F=mg的本質(zhì)不同,。既然如此,,那么“萬(wàn)有引力”中的“力”到底是什么呢?我們知道,,天體
之間不存在直接接觸式的相互作用,。但卻可以用牛頓的引力公式正確計(jì)算出“引力”的大小。如果萬(wàn)有引力不是“力”的話,,為什么可以用牛頓的引力公式計(jì)算出正確的引力大小呢,?其實(shí),這個(gè)問(wèn)題并不難回答,。我們知道,雖然“力”與“運(yùn)動(dòng)”是不同的物理現(xiàn)象,,但二者之間是可以“互為”因果的,。“力”可以讓物體產(chǎn)生“運(yùn)動(dòng)”,,物體的“運(yùn)動(dòng)”也可以在物體之間產(chǎn)生“力”,。力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系反映在F=ma和F=mg這些公式上。F=ma中的力是作用力,,F(xiàn)=mg中的力是重力或引力,。從表面形式上看,F(xiàn)=ma與F=mg非常相似,,但二者之間在本質(zhì)上卻存在著決然不同的物理意義,。F=ma中的加速度a是在質(zhì)量為m的物體受到大小為F的作用力的作用下產(chǎn)生出來(lái)的,。這個(gè)作用的過(guò)程是物體之間硬碰硬的“直接接觸式的相互作用”。因此,,F(xiàn)=ma的公式也可以寫成a=F/m的形式,。這個(gè)公式所反映出來(lái)的是一個(gè)“力產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的過(guò)程”或“力改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的過(guò)程”。與此相反,,F(xiàn)=mg中的加速度g可“不是”在質(zhì)量為m的物體受到大小為F的萬(wàn)有引力的作用下產(chǎn)生出來(lái)的,。相反,加速度g的出現(xiàn)根本就不需要質(zhì)量為m的物體存在,。只要有一個(gè)質(zhì)量為M的物體存在就夠了(g=GM/r2),。因此,我們不能把F=mg的公式寫成g=F/m,。正確的引力加速度計(jì)算公式應(yīng)該是g=GM/r2,,或?qū)懗桑篻=4πGM/4πr2。這說(shuō)明引力加速度來(lái)自M/4πr2,。因?yàn)?πr2是一個(gè)球形面積,,因此,M/4πr2就是質(zhì)量M在球形面積4πr2上的分布密度,。也就是說(shuō),,M/4πr2所代表的是一個(gè)球形“場(chǎng)”的特征。這個(gè)場(chǎng)就是“質(zhì)量場(chǎng)”,??梢姡铀俣仁怯少|(zhì)量場(chǎng)密度D決定的,,與引力F的大小無(wú)關(guān),。在F=mg這個(gè)公式中的m無(wú)論多大都不會(huì)影響引力加速度g的大小,只影響引力F的大小,。這就是說(shuō),,F(xiàn)=mg所反映出來(lái)的是一個(gè)“運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生力的過(guò)程”。與F=ma正好相反,。
3.F=mg或F=GMm/r2中的“力”是什么時(shí)候產(chǎn)生出來(lái)的,?既然F=mg中的“力”是“在物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生出來(lái)的”,那么具體的產(chǎn)生過(guò)程是什么呢,?其實(shí)在萬(wàn)有引力現(xiàn)象中首先出現(xiàn)的物理現(xiàn)象是“運(yùn)動(dòng)”,,這就是“自由落體運(yùn)動(dòng)”。然后才有可能產(chǎn)生出力來(lái),。因?yàn)樽杂陕潴w本身具有質(zhì)量(m),,而且在自由落體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中還有一個(gè)自由落體加速度(g)。在物理世界中,物體在自由下落的過(guò)程中是不存在任何“力”的,,只存在(自由落體)“運(yùn)動(dòng)”,。因此,在自由落體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中是測(cè)不到“力”的,。只有當(dāng)M與m這兩個(gè)物體之間處于直接接觸的狀態(tài)下,,才會(huì)產(chǎn)生出F=mg或F=GMm/r2這些計(jì)算公式中所描述的那個(gè)“力”來(lái)。一個(gè)處于自由落體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的蘋果是沒有F=mg這個(gè)力存在的,。但,,一個(gè)放在桌子上的蘋果卻有這個(gè)力存在,因?yàn)樘O果與桌面之間有直接的實(shí)體接觸,。如果撤掉桌子讓蘋果繼續(xù)做自由落體運(yùn)動(dòng)的話,,這個(gè)力又不存在了。所以,,F(xiàn)=mg中的力是自由下落的物體在受到直接接觸的“阻止”過(guò)程中產(chǎn)生出來(lái)的,。一個(gè)物體(例如桌面)阻止另一個(gè)物體(例如蘋果)自由下落的這種關(guān)系也是實(shí)體之間的相互作用。這種相互作用當(dāng)然就是“力”,,而且也可以測(cè)量到,。
4.“勢(shì)力”與“實(shí)力”。雖然萬(wàn)有引力中的“力”在兩個(gè)物體直接接觸之前并不存在,,但也可以用F=mg或F=GMm/r2這樣的公式計(jì)算出來(lái),。然而,計(jì)算出來(lái)的數(shù)值并非一定就是現(xiàn)實(shí)存在的東西,。因此,,我們可以這樣理解這些公式所計(jì)算出來(lái)的結(jié)果:當(dāng)兩個(gè)物體處于非直接接觸狀態(tài)時(shí),這個(gè)計(jì)算結(jié)果實(shí)際上描述的是一個(gè)“勢(shì)力”或“潛力”,?!皠?shì)力”就像“勢(shì)能”一樣,是一個(gè)并非真實(shí)存在的,、還沒有發(fā)生的“潛在”物理現(xiàn)象,。“潛在”的意思就是,,如果一旦這兩個(gè)物體在其他條件都不變的情況下出現(xiàn)實(shí)體與實(shí)體之間直接接觸式的相互作用時(shí),,就一定會(huì)產(chǎn)生出F=mg這么大的(真實(shí)的)力來(lái)。但在實(shí)體之間還沒有相互接觸之前,,這個(gè)力實(shí)際上是不存在的,。舉例來(lái)說(shuō),,我們可以用萬(wàn)有引力計(jì)算公式來(lái)計(jì)算地球與月球之間的引力大小,。但這個(gè)力僅僅是一個(gè)“勢(shì)力”或“潛力”,而不是現(xiàn)實(shí)中實(shí)際存在的力。只有當(dāng)這兩個(gè)天體在現(xiàn)有的距離上靜止地相互接觸在一起時(shí),,在它們之間才會(huì)產(chǎn)生真實(shí)的相互作用力,,這個(gè)力才是“實(shí)力”。只有這樣的“實(shí)力”才是真正的“力”,。而“勢(shì)力”是一個(gè)還不存在的力的潛在形式,。
5.天體之間不存在“力”的相互作用問(wèn)題。雖然天體之間存在一個(gè)可能出現(xiàn)的潛在“勢(shì)力”,,但因?yàn)樘祗w之間并沒有實(shí)體的直接接觸,,所以它們之間并不存在真實(shí)的相互作用力,也就是說(shuō)宇宙中并不存在“萬(wàn)有引力”這個(gè)力,。天體之間所真正存在的是“運(yùn)動(dòng)上的”關(guān)系,,而不是“力的”關(guān)系。天體之間存在自由落體運(yùn)動(dòng)形式,,而自由落體加速度是通過(guò)天體的圓周運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生出來(lái)的離心加速度抵消的,。這是一種“動(dòng)態(tài)平衡”的結(jié)果,并不存在力的問(wèn)題,。物質(zhì)的靜態(tài)平衡狀態(tài)是由“力”來(lái)維持的,,但動(dòng)態(tài)平衡則是由物體的“運(yùn)動(dòng)”來(lái)維持的。所以,,力與運(yùn)動(dòng)是不同的,。
6.“力”與“運(yùn)動(dòng)”的關(guān)系。要想更好地理解在物理現(xiàn)象中“力”和“運(yùn)動(dòng)”的關(guān)系,,我們必須首先要知道“物質(zhì)的基本屬性是什么”,。根據(jù)最新研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),物質(zhì)的基本屬性包括了“質(zhì)量屬性”和“質(zhì)量場(chǎng)屬性”,。也就是說(shuō),,物質(zhì)既有“實(shí)體屬性”,又有“場(chǎng)屬性”,。因此,,任何一個(gè)物體都具有一個(gè)實(shí)體和一個(gè)場(chǎng)。這就意味著物質(zhì)之間的相互作用包括了兩個(gè)方面:實(shí)體與實(shí)體之間的相互所用和場(chǎng)與場(chǎng)之間的相互作用,??梢哉f(shuō):“力”是一個(gè)實(shí)體之間的相互作用產(chǎn)生的結(jié)果,而場(chǎng)之間的相互作用卻可以通過(guò)加速度產(chǎn)生出來(lái)“運(yùn)動(dòng)”的結(jié)果,。這樣,,我們就能夠清楚地理解天體之間的關(guān)系為什么不是“力”的關(guān)系,而是“運(yùn)動(dòng)”的關(guān)系了,。例如,,地球?qū)υ虑虻挠绊懖⒉皇峭ㄟ^(guò)“引力”實(shí)現(xiàn)的,,而是通過(guò)質(zhì)量場(chǎng)所決定的自由落體加速度對(duì)月球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果月球不圍繞地球旋轉(zhuǎn)的話,,就會(huì)像蘋果一樣按照地球的質(zhì)量場(chǎng)密度給它規(guī)定的自由落體加速度掉到地球上,。但是,因?yàn)樵虑蛞恢痹趪@地球旋轉(zhuǎn),,這個(gè)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生出來(lái)的離心加速度剛好與它的自由落體加速度大小相等方向相反,,結(jié)果月球就不會(huì)掉下來(lái)。所以,,物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變未必一定需要“力”的存在,,地球的質(zhì)量場(chǎng)就可以改變?cè)虑虻摹斑\(yùn)動(dòng)”狀態(tài)。而且,,“力”也并非一定是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的“原因”,,它還可以是“場(chǎng)”所導(dǎo)致的物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變所產(chǎn)生出來(lái)的一個(gè)“結(jié)果”。所以,,“力”與“運(yùn)動(dòng)”是可以互為因果的關(guān)系,,但不是等同的關(guān)系。
由于沒有搞清楚“力”與“運(yùn)動(dòng)”之間的正確關(guān)系,,因此目前教科書上對(duì)“力”和“運(yùn)動(dòng)”的定義都不準(zhǔn)確,。“力”是物體之間的相互作用的說(shuō)法并沒錯(cuò),。但必須指出的是這種相互作用僅僅是物體“實(shí)體之間”的直接接觸的相互作用,。如果沒有實(shí)體之間的直接接觸,“力”是不可能產(chǎn)生和存在的,。但即使沒有實(shí)體之間的直接接觸,,天體之間的“質(zhì)量場(chǎng)”也會(huì)影響對(duì)方的“運(yùn)動(dòng)”狀態(tài)。所以,,改變物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因并非僅限于“力”上,。
7.“場(chǎng)力”不是“力”。除了萬(wàn)有引力以外,,其他所謂的“場(chǎng)力”也都與“引力”類似,。例如目前人們對(duì)靜電力和磁力等的理解也都犯了與萬(wàn)有引力一樣的錯(cuò)誤。一個(gè)靜電場(chǎng)對(duì)另一個(gè)帶電體的作用導(dǎo)致的是“場(chǎng)對(duì)帶電體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”的改變,,而不是“力”在起作用,。磁場(chǎng)對(duì)磁體的關(guān)系也是場(chǎng)在改變磁體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而不是一個(gè)磁體向另一個(gè)磁體施加了任何的“作用力”。所以,,在“萬(wàn)有引力”,,“靜電力”和“磁力”這些概念中使用“力”這個(gè)字是不恰當(dāng)?shù)摹?yīng)該用“運(yùn)動(dòng)”來(lái)解釋和描述這些現(xiàn)象,。量子力學(xué)主要研究的是“場(chǎng)”的問(wèn)題,,而不是粒子之間的“直接”相互作用,,因此,把這個(gè)學(xué)科稱之為“力學(xué)”是不恰當(dāng)?shù)?。在認(rèn)清了“力的本質(zhì)是什么”之后,我們對(duì)很多物理學(xué)問(wèn)題和物理現(xiàn)象就會(huì)有更深刻的認(rèn)識(shí)了,。
8.重新思考力學(xué)理論問(wèn)題,。無(wú)論是經(jīng)典力學(xué)還是量子力學(xué),當(dāng)今的“力學(xué)”理論都把“力”與“運(yùn)動(dòng)”當(dāng)成一回事對(duì)待,。牛頓的三大運(yùn)動(dòng)定律所描述的力的現(xiàn)象(實(shí)體與實(shí)體之間的相互作用),,卻被叫作“運(yùn)動(dòng)”定律。而萬(wàn)有引力定律中涉及到的是“運(yùn)動(dòng)”的現(xiàn)象(造成物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的場(chǎng)與場(chǎng)的相互作用),,卻被冠以了(引)“力”的定律,。在牛頓的理論中顯然“力”與“運(yùn)動(dòng)”是不分的。這就造成了很大的混亂,。一直影響至今,。其實(shí),力與運(yùn)動(dòng)并不是一回事,。它們僅僅是因果關(guān)系上的緊密聯(lián)系,。在靜態(tài)平衡中起作用的是“力”,但在動(dòng)態(tài)平衡中起作用是“運(yùn)動(dòng)”而不是“力”,。天體之間的平衡狀態(tài)是動(dòng)態(tài)平衡而不是靜態(tài)平衡,,因此,在天體之間不存在“力”的作用,。用牛頓引力計(jì)算公式計(jì)算出來(lái)的那個(gè)萬(wàn)有引力在天體之間僅僅是一個(gè)潛在的“勢(shì)力”,,而不是一個(gè)真實(shí)存在的“實(shí)力”。雖然數(shù)學(xué)運(yùn)算可以得到正確的結(jié)果,,但物理學(xué)理論是建立在物理機(jī)制基礎(chǔ)之上,,而不是計(jì)算結(jié)果上的。這提醒我們應(yīng)該從物理機(jī)制上而不是單單從數(shù)學(xué)運(yùn)算上對(duì)力學(xué)理論問(wèn)題進(jìn)行重新思考,。并且告訴我們要警惕數(shù)學(xué)運(yùn)算結(jié)果對(duì)科學(xué)理論可能產(chǎn)生的不良影響,。
9.牛頓用“力是改變物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”這個(gè)思路去理解和解釋所有相關(guān)的物理現(xiàn)象包括萬(wàn)有引力現(xiàn)象。那是因?yàn)榕nD并不知道質(zhì)量場(chǎng)的存在以及質(zhì)量場(chǎng)之間的相互作用也可以改變物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)這個(gè)事實(shí),。結(jié)果,,他就把“力改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”和“運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變產(chǎn)生出力”這個(gè)兩個(gè)截然相反的過(guò)程都用“力是改變物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”這個(gè)觀點(diǎn)去理解和解釋了。牛頓雖然是一個(gè)物理學(xué)家,,但他更精通的是數(shù)學(xué),,更熱愛的是哲學(xué)。所以,,對(duì)牛頓而言,,只要他能夠從數(shù)學(xué)和哲學(xué)上解決問(wèn)題就夠了,。遺憾的是,后來(lái)的科學(xué)家都沒有跳出牛頓思想范圍,。沒有認(rèn)識(shí)到“場(chǎng)對(duì)改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所起到的作用”以及“物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變可以產(chǎn)生出力”這個(gè)與“力是改變物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”截然相反的因果關(guān)系,。
小結(jié):力的本質(zhì)就是物質(zhì)實(shí)體之間在相互直接接觸過(guò)程中的相互作用。作用力和萬(wàn)有引力現(xiàn)象中的“力”都是如此,。天體之間不存在“力”的問(wèn)題,。天體之間的穩(wěn)定狀態(tài)是通過(guò)“運(yùn)動(dòng)”達(dá)成的動(dòng)態(tài)平衡來(lái)維持的。用牛頓引力計(jì)算公式計(jì)算出來(lái)的天體之間的那個(gè)“引力”是一個(gè)非真實(shí)存在的“勢(shì)力”,?!傲Α迸c“運(yùn)動(dòng)”不是一回事。它們是互為因果的關(guān)系,,而不是單向的因果關(guān)系,。改變物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度的原因不僅僅是力,質(zhì)量場(chǎng)也可以是一個(gè)改變物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度的原因,。當(dāng)今的力學(xué)理論把“力”與“運(yùn)動(dòng)”混為一談是造成很多基本問(wèn)題得不到解決的一個(gè)重要原因,。
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