力的单位不应该是牛顿

力的单位不应该是牛顿 力的物理单位不应该是牛顿 ——解释惯性力学三定律 马英卓 提要 在原来牛顿力学(惯性力学)体系里，引进了新的物理量，从而，牛顿力学体系在基础(出发点)上，已经改变为惯性力学三定律了，从此，力学的思维模式已经(也应该)改变了。而广义惯性力直接于此新的物理量对应，又外力是由广义惯性力来量度的，所以，力的物理单位不应该是牛顿。广义惯性——重性与牛顿惯性的统一，此认识也就更加清晰了。 ——众里寻他千百度,蓦然回首,恰在灯火阑珊处。 ,一,量纲系数的重新约定 实际上，在我前面所讲的惯性力学三定律及其在解力学的习题过程中，为了遵从现在力学的习惯而把力的物理单位仍约定为“牛顿”的情况下，才有了惯性力学第二三定律中的量纲系数的约定形式。但是，在利用惯性力学三定律解习题的时候，由于又设了量纲系数为一，所以，实际上已经分不清力的物理单位到底是不是“牛顿”了，于是，就容易造成理论的逻辑混乱。我在本文重新来说明此方面的问题。 原来是这样描述惯性力学三定律的: 1、广义惯性定律:物体总保持其内部的ρ均匀空间时的运动状态。 2、广义惯性力定律:F=k m P 内 3、广义惯性运动定律:P,P=1/k×a 外内 实际上，力的物理单位应该不是“牛顿”，应该重新约定。重新约定的力的物理单位的惯性力学三定律应该是如下形式: 1、广义惯性定律:物体总保持其内部的ρ均匀空间时的运动状态。 2、广义惯性力定律:F=m P 内 3、广义惯性运动定律:P,P= k a 外内 惯性力学第三定律中的加速度a代“物体”的加速度;其中的P内代表“物体”的内部空间的ρ梯度，其物理单位是“坦”，与重力场强度的物理单位同一;而其中的P外则代表“物体”的外部空间的ρ梯度。也就是说，在广义惯性力定律里，没有了量纲系数，其本身的量纲就代表了力的量纲。由于我在我的以前的文章里，把P的量纲约定为“坦”，所以，力的新量纲应该是——质量×坦(既 1 千克? 坦，或用符号角度是kg?t)。有人也许会说，这没有必要，多此一举。我认为只有如此的重约定，才会真正地体现了问题的实质。其理由可见下文。 新 ,二,再从惯性力学三定律角度来看 牛顿力学的出发点就是“牛顿惯性”，也就是力学思维的出发点。牛顿力学实质就是“惯性力学”(也是质量力学)。牛顿第二定律中就包含了其中的“质量”的物体的“惯性力”。当我在牛顿力学里引进了一个独立的抽象物理量ρ梯度(见我的《受力的物体的内部到底发生了什么情况》一文)且出了惯性力学三定律后，反过来又可以对牛顿力学第一二定律有了更明确的深入的认识。也正是由于惯性力学三定律的被总结了出来，才有了可以“明确”的“参考系”，才会明确地认识到原来牛顿力学的局限性与模糊性。惯性力学第一定律是说明“广义惯性”的内涵的定律;惯性力学第二定律是说明物体的广义惯性对外“作用关系(力)”的体现的定律;惯性力学第三定律是说明物体的广义惯性对外“空间位置关系(运动)”的体现的定律。由此可见，原来的牛顿力学第一定律也是说明“牛顿惯性”内涵的定律(其中的具体的运动状态不是问题的实质，仅说明了在隐含的绝对空间情况下的具体的运动状态，而其实质是物体的“保持”性，即惯性)。可牛顿力学的第二定律则是模糊的定律，没有区分开物体“惯性”对外关系的“作用”和“位置”关系的两个“相对独立”的体现，也是少了一个非常重要的一个环节和因素:P内。而新的物理量P内，则标志了牛顿力学的进化。说明了对牛顿力学有了新的更深入的认识。虽然在以前的力学里，也有时提到了此新物理量在唯象方面内容，但是，没有在理论核心的抽象层次上作为基本概念及基本物理量来认识的。我们 才表现了其局限性，才产生了“引力”的理解。在惯性力学三以前的力学恰恰是因为没有此认识， 定律导出牛顿力学第二定律的过程中，可以看出其问题: 设量纲系数k为一。 在绝对空间的前提下，惯性力学第三定律中的P外为零，也就是在没有重力场(绝对空间)的情况下。惯性力学第三定律为: —P= a ?此关系式说明物体的加速度是与物体的P内直接对应的。而力与加速度对应，则必内 须还有物体的质量因素的参与。这也是对牛顿力学进一步深入认识的重要方面。 ?式代入惯性力学第二定律得 F = —ma 此关系式中的负号是表明惯性力，再运用牛顿力学第三定律(是力学体系定律，不是仅属于惯性力学的定律)，得 外力(F) = ma 。 这就是牛顿力学第二定律。这就给了我们一个清晰的认识:所有的外力是由惯性力来量度的。 可见，牛顿力学第二定律隐含了(也是缺少了)二个环节:一个是P内;另一个是已经运用了牛顿力学第三定律。从逻辑角度，如果把牛顿力学三定律作为基本定律(公理化定律)，那么这三个基本定律应该是互相独立的。而在上面的推导过程中，说明了牛顿力学第二定律又包含了其第三定律的运用，所以，牛顿力学第二定律就不是基本定律。同时，也缺少了P内的环节(其P内的含义见我的以前的文章)，正是缺少了此环节，使人们在运用牛顿力学三定律时，才会出现忽而认为惯性力是物体本身对其外力的反作用力，忽而又认为惯性力是表现惯性物体之外的没有来源的外力，同时，又由于“引力”的加入，又出现了在力学习题中没有也无法准确判定物体的真正的受力状态的理论思维模糊的情况。在原来理论的出发点上的如此的混乱，当然也就是整个理论思维混乱的根源了。 2 在操作方面，物体的P内可以独立地测量，因为它是独立的基本物理量。我在我以前的名为《受力的物体的内部到底发生了什么情况》的文章里，已经暗示了可以用经验层次上的某种流体物质内的压强梯度作为测量的依据。从而，就可以得到惯性力学三定律里的其它物理量。可以做此方面的独立的仪器。 ,三,运动的相对性决定了力的物理单位不应该是“牛顿” 因为在“牛顿”单位里，有加速度因素，而加速运动也具有运动的相对性(空间位置关系的相对性)，所以，在实际操作上就有了不确定性。不确定性就造成了理论的混乱。所以，力的物理单位就不应该是“牛顿”。而决定物体是否是处在惯性运动状态中(也是物体是否是处在真正的受力的状态中)，不是由于运动状态，而是由物体内部的P内的有否来确定的。所以，力的物理单位就应该是质量与“坦”的乘积。力的物理单位是“复合”单位，因为包含质量与“坦”这两个基本物理量。 (1)如果没有“重性”与“牛顿惯性”的统一，作为原来的牛顿力学体系出发点的牛顿第一二定律，也是有局限性的模糊的定律:(a)牛顿第一定律有局限性，是因为它本来是有某种空间背景的情况下的定律，却没有意识到。当然，如果没有重力场作为另一个特点的空间背景对比，也就无法有其局限性的认识;(b)牛顿二定律就是因为其中的外力应该就是其“质量”的物体由于惯性而出现的力的反作用力，但是，在其中就没有体现出来，缺乏物体内部的P内的明确的认识，也就是没有P内基本物理量的参与过程，就体现了其模糊性。 本文前面的牛顿力学第二定律的推导过程中间的环节就说明了这一点:判断物体是否是处在惯 ，如果用运动状态因素来判断，是有条件的——在什么外部空间条件下;在物体具体性运动状态中 运动状态的“值”与外部空间P外的“值”的对比下，其在物体内部P内是否为零的条件下，才可以转化为用运动状态因素来间接地确定。 (2)如果牛顿力学没有“引力”的加入，牛顿力学还算是一个比较完整的理论。因为在绝对空间的前提下，力的物理量是“牛顿”，也可以。但是，把引力引进到牛顿惯性力学(以牛顿第一二定律为出发点的力学)里，在没有确切地认识到还有P内这个因素的情况下，反而使原来的牛顿力学第二定律涵义更加模糊。因为把正在作重力加速度运动的物体也当作引力正在作用之，同时又把正处在静止或作匀速直线运动的物体也当作引力正在作用之，实际上这是矛盾的(逻辑角度是不自恰的)。在原来的牛顿静力学里的引力角度，处在静止或匀速直线运动状态的物体的“重力”(也是惯性力)也用牛顿第二定律表示，实在是勉强。但在“场概念”出现后，其重力加速度是作为其重力场强度意义而言的。在我这里，实际上不是重力场强度，而是物体的P内。因为其加速度为零，依广义惯性运动定律(惯性力学三定律中的第三定律)，其物体的P内就与物体在重力场内该位置上的强度相等而已。这是不能混淆的。所以，从此方面来说，也有理由说明，不能把力的物理量用“牛顿”来表示。 ,四,参考系问题 我在以前的文章里，没有详尽说此关于惯性力学三定律所涉及的参考系问题，在此文里，我就 3 进一步地谈谈此问题。 ，伽里略变换还没有引起多大的参考系问题，也给力学带来了麻烦。本来在以前的牛顿力学里 麻烦。但是，出现了加速系(包括转动坐标系)后，又引起了很大的麻烦。出现了虚构的外力。这是由于不正确运用(理解上的问题)牛顿第二定律所造成的。究其原因，还是因为牛顿第二定律的模糊性(不是基本定律当作基本定律)所造成的，是惯性力(广义)定律与运动定律(广义)没有分开所造成的。所以，无法也没有判断标准来判断惯性力与外力的区别。如果以后，力的物理量不用“牛顿”，(也是有了惯性力判断的标准)，所谓的虚构力就不会出现了。 在惯性力学三定律这里，物体的外部空间前提仅限制在两种空间，一种是牛顿的绝对空间，另一种是重力场空间。牛顿的绝对空间在客观世界是自然而然存在的没有场源的空间。而重力场空间在客观世界是有范围的有作为中心场源的整体天体，但是，在理论的操作角度，要描述物体在这两个空间“背景”里的运动状态，就必须有参考系的设定问题。作为重力场，有其确定的参考物，就是“中心物体”，而牛顿的绝对空间，则没有。实际上，在目前的经典力学教科里，已经基本上说明了此问题，其中的绝对加速度、相对加速度、牵连加速度之分，就已经隐含了如此的含义，就是其所谓的假定的静止坐标系来确定其绝对加速度功能的。但是，值得读者十分注意的是:我在此关于参考系问题上，与原来的教科书中的参考系在理论的理解上有其不同的涵义。其区别就是，a)原来教科书中把坐标系(参考系)与其空间背景(具有物理属性意义)合在(混在)一起了，也就是用什么惯性(牛顿惯性)参考系与非惯性参考系来理解，就造成了理论思维的混乱。其混乱的另一个方面的体现，就是广义相对论里的什么曲线坐标(弯曲时空)代替重力场空间背景;b)我在此方面的“约定”，从抽象角度，在绝对空间的“背景”里的任意位置“人为”地确定一个静止的坐标系，以此坐标系为基准参考系，此基准参考系就是有确定物体的绝对加速度功能的。在我这里，具有物理属性意义的背景空间与坐标系(参考系)是分离的。于是，在惯性力学第三定律里的加速度a仅代表物体的绝对加速度。要涉及计算问题，就换算成绝对加速度才可以。从而也就避免了由加速系(加速系就是加速系，不具有物理动力学中的什么物理属性)的带来的什么“虚构”的没有来源的“惯性力”之说了。 原来的大学力学教科书(包括理论力学)中说什么“在非惯性系(加速系)里，牛顿三定律不适用，而为了“人为”地让其适用，就引出了什么虚构的惯性力”问题，这恰恰说明了原来的力学在基础上(出发点上)就有局限性。问题的关键就是缺乏一个物理量——ρ梯度(也是P内及P外，也包括重力场强度)。 牛顿引力势的一阶导的物理单位是经验公式的物理单位，不是理论上的物理单位。而一说到重力场强度，就以为是牛顿的引力势的一阶导，而在惯性力学第三定律里，其P外，则具有“关系算符”意义。不一定就局限于牛顿引力势的一阶导。也说明牛顿引力势不是基本定律，仅是经验公式。但是，目前人们把其当作思维的出发点了。如果谁还在假设什么引力常数可变不可变的探讨，那也是在经验层次上探讨而已，并不是什么理论层次上的研究的问题。 如果为了方便，也可以“约定”，在绝对空间里的加速系也可以“当作”物体的不为零的P外来运用，或重力场空间里的某数值的加速系也可以“当作”物体的为零的P外空间来运用(如宇宙飞船里的失重空间)，但是绝不能认为真实空间背景里的加速系空间是真实的具有物理属性的空间。在广义相对论的关于等效原理的所谓的局部参考系变换的说法，也有此方面的“方便的约定”实质，但是，由于惯性力学三定律的被总结了出来，原来的模糊的理解，也该结束了。 4 ,五,“反引力”意味着什么, 有了引力，就有人利用普通的“对立”思维，自然而然地想到什么“反引力”或“万有斥力”问题。在此，我可以说，现在我在“广义惯性”这里，已经取消了“引力”，那也就没什么“反引力”或“斥力”之说了。 如果说，在自然界里有“反引力”或“斥力”现象，由于有了惯性力学三定律，该“反引力”或“斥力”的现象，只有两种情况:一种还是作为物体的外力而言的“反引力”或“斥力”，在这种情况下是没有什么研究可言的;而另一种就是在重力场里，改变了物体内部的P内的值。实际上，在惯性力学三定律里，在重力场里的情况下，其重力场里的物体内部的P内的改变是由物体的运动状态来达到的。除此之外，还没有什么其它的因素来改变它。 有人说有高速旋转的物体及什么超导状态物体的上方的另一个物体有减轻“重量”的现象被发现了。我在此不能证实此发现事实。所以，我既不能否定也不能肯定此现象。但是，我在此可以说已经有了一个判断是否是真的“反引力”效应还是“外力”造成的结果的原则标准，因为，如果测定了其物体内部的P内改变了，那才是真的有了“反引力”效应，也可以说是一个重大的科学发现。但是，即使有此“效应”，也不能违反能量守恒原理，也得消耗能量，来达到“抵消”重力场的势能。到目前还有人去想什么“引力屏蔽”问题，这可是“永动机”的“瞎想”了。因为引力已经“取消”了。而现在还有人认为“引力”可以辐射，那更是虚幻的空想了，因为重力场不是有力在作用其内的物体，因为“力”不是独立存在的“东西”。在我这里，力是改变物体“自由运动状态(广义惯性运动状态)的原因”;而物体的属性(广义惯性)是改变自己“不自由运动状态的原因”。 ,六,引力神话的认识论方面的根源 科学理性认识的进步是与不断地摆脱和超越感性认识相对应的。比如当我们每天看到太阳从东方升起来，就以为天穹在围绕大地转，后来，有了日心说，才摆脱了此感性认识;我在小的时候，听说大地是球形的时候，就总是百思不得其解:为什么在地球下面的人不会掉下去,其不解的原因就是没有摆脱感性的认识，是因为有一个以自己的位置为标准的绝对上与下的感性认识在作怪。同样，在引力问题上，之所以目前的人们也百思不得其解:为什么说物体的自由落体运动是没有什么外力正在作用之,也是惯性运动,其原因就是没有摆脱和超越这样的感性认识:因为人的肢体在对其它物体的作用中才产生了“力”概念，而力概念就是具有感性的因素的产物。对于人来说，此感性认识带来的观念就是一切物体由静止到运动(加速运动)都是由于类似人的肢体作用的外力造成的。所以对于自由落体运动也被当作有外力在作用之是顺理成章的了，于是，把此外力理解为“引力”也是顺理成章的了。所以，引力是人的感性在动力学方面没有被摆脱与超越的情况下的产物。由于引力被当作超距作用，所以人们把注意力错误地集中到了为什么会超距作用的问题上来。而没有想到自由落体运动(也有卫星及行星的公转运动)的原因不是相互作用(力)的结果。而摆脱与超越了此感性的认识后的认识，应该是如此地理解:在自然界里的物体还有不靠外力而有由于“自己”的“能”力(属性)原因由静止到运动(加速运动)的情况。[运动(包括加速运动)本来就是相对的] 在引力的问题上，我们必须在观念上转过此弯，达到此问题上的感性上的摆脱与超越。其摆脱与超越的结果，就是广义惯性定律。 5 (七)两种相反认识路线 我随带说一句，在认识宇观世界方面，人类是首先是在由于生产生活的需要的实践过程中认识天文现象的。在古代，由于航海旅行的需要，建立了方位天文学;由于农业生产的需要，建立了历法天文学。接着，就有了对天体运行的结构的认识，也就是地心说或日心说及刻普勒三定律，接着牛顿又建立了“引力定律”。在十九世纪，又是演化观的世纪，认为所有的天体是有起源与演化过程的。到了二十世纪，由于物理学上的光谱与微观世界的元素的对应规律的发现，也开始了全波谱角度的观测，也开始了对天体的物质成分的认识。在二十世纪，我们对自然界的认识，在对微观世界的认识方面，取得了极大的进展。在二十世纪，在宇观方面，由于望远镜技术的发展，人工天体(航天器)已经通过了太阳系，在月球和火星上的着陆，等等，已经为人类认识宇观世界获得了大量的原始材料。但是，对宇观世界的经验的认识并没有多大的进展，而理性层次的比较深入地认识更是遥遥无期。这是我们应该知道的现状。我们科学对宇观世界的认识还缺乏一个观念上的巨大的变革。在许多关于各层次的天体及宇观世界中的物质等的认识，还局限在物理学中的狭隘的观念中，从关于天体的所有的学说中，到处可以看到“引力”这个类似“上帝”的东西在支配着宇宙的影子。 我们对宇观世界的认识还有两种认识路线:一种是先由客观的“东西”为出发点，如彗星、脉冲星、变星、旋涡星系等等是客观的;另一种是先由主观的“东西”为出发点。，如黑洞、白矮星、中子星是主观路线的东西。对于“主观的东西”，我们可要警惕，不要把主观的不适合客观实际的东西强加于自然界。达到对宇观世界的更进一步的认识，也许就像银河系转一圈那样的漫长比喻)。这需要我们今后的人们去耐心地探索和经验的积累到一定的阶段，才会有它的理论层次( 认识上的飞跃。可以说，我们目前的什么“宇宙学”还仅仅是物理学，不是真正的宇宙的理论层次的上的认识。到现在连地球上的地震还没有达到比较准确地预报的水平，何况是什么“宇宙学”。 ,八,蓦然回首 自从牛顿提出了自己也怀疑的“引力”后至今，关于“引力”的本质的假说和理论层出不穷，尤其是在爱因斯坦的广义相对论提出后。真可谓是众里寻他千百度。蓦然回首，原来“引力”的本质是物体的“重性”与牛顿的物体惯性是同一的属性。 有人对我说:“总是难以理解你统一(是重性与牛顿惯性的统一)的必要性。是为了统一而放弃事物的本质，还是为了揭示事物的本质必然的统一。” 我回答道:“几十年来物理学界的为了统一四种相互作用力，恰恰是以牺牲本来就不是同一的事物的本质而人为地要统一的努力，此研究方向是一个死胡同。反过来，如果本来是同一个事物的本质却要分开来认识。也是个死胡同。也就是说，牛顿惯性与重性本来是同一个属性，一定要分开来认识，也是个死胡同。” 爱因斯坦已经看到了灯火，但是，还没有看到“阑珊”处，也就是没有看到惯性力学三定律。 惯性力学三定律标志了我们原来的力学思维的出发点及思维模式已经被改变了。 完稿于2002年7月15日 参考文献 6 [1]马英卓:引力是产生出来的，〈科学〉(科学美国人中文版)杂志，1998年第五期。 第三期。 [2]马英卓:引力与广义力学、整体天体，〈科学〉(科学美国人中文版)杂志，1999年[3]马英卓:惯性力学与整体科学体系，《科学》(科学美国人中文版)杂志，2000年第七期。 ,,,马英卓:等效原理的对与错，《当代物理世界—物理论文集》网站。 ,,,马英卓:万有引力真的失灵了吗,《当代物理世界—物理论文集》网站。 [6]马英卓:用惯性力学三定律解力学习题。《当代物理世界—物理论文集》网站。 [7]马英卓:潮汐成因另探。《当代物理世界—物理论文集》网站。 [8]马英卓:研究物理的终极目的是属性。《当代物理世界—物理论文集》网站。 [9]马英卓:受力的物体内部到底发生了什么情况,《当代物理世界—物理论文集》网站。 [10]马英卓:狭义相对论的实质与在科学中的位置。《当代物理世界—物理论文集》网站。 [11]马英卓:引力神话的根源。《当代物理世界—物理论文集》网站。 通讯地址:长春市吉林工学院家属宿舍14号楼43号;邮编:(130012)马英卓收。 宅电:(0431)8580623;(0431)5910749. 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