什么是物理现象中的“自由运动”？

马海飞

（http://blog.sina.com.cn/gfis 2016年4月4日）

随着物理学理论研究的不断发展，人们对物理现象的新认识也会不断出现。“自由运动”就是我最近发现（认识到）的一个物理现象。

一、什么是“自由运动”？顾名思义，自由运动就是运动物体在不受任何外力或受到的外力合理为零的自由状态下的物体存在状态。需要特别指出的是：自由运动实际上是一种物质的存在状态，而不是一个物理过程。只有当这个状态被改变的时候才会产生出相应的物理过程。

二、什么形式的运动是自由运动？有两种形式的运动是自由运动。它们是：1）惯性运动，2）自由落体运动。

三、为什么说“自由落体运动”是不受外力的自由运动？绝大多数人对这个问题都不理解。因为他们一直相信自由落体运动是物体受到引力的作用所产生出来的运动。产生这种理解的根源是牛顿的力学定律。根据牛顿力学定律对力做出的定义就是：力是改变物体运动状态的原因。而物体在运动过程中出现的速度和方向的变化都被认为是运动状态的改变。

由于自由落体运动是一个不断加速的运动，因此人们认为自由下落的物体一直都在改变着它们的运动状态。这样，用牛顿对力的定义做出的解释就必然成为：自由落体运动的过程是外力（地心引力）一直在拉动物体下落让它不停加速（改变运动状态）的过程。

其实这个一个天大的误解。就像哥白尼之前的人误以为“日出日落”的现象是由太阳围绕地球转所产生出来的误解差不多。

对自由落体运动的正确认识要放在“它的下落速度的改变规律是不可变的”这一点上。也就是说，自由落体运动虽然是一个加速运动，但它的加速形式在不受到有效外力作用的（自由）情况下是永远都不会改变的。从这一点上来说，它与惯性定律有相似之处。可以这样说：一个处于自由落体运动状态下的物体，在不受到任何外力作用或所受到的外力合力为0的情况下，该物体将一直保持它特有的加速形式的运动状态不变。直到它受到外力改变这种状态为止。

所以，在自由落体运动过程中，按照自由落体加速度的运动速度变化并不是物体运动状态的改变。加速运动其实是它本来就应该有的运动状态。一直处于加速才是它运动状态不变的表现。因此，自由落体运动和惯性运动一样都是不受力的运动。从本质上讲，它们都是物质的存在状态，而不是物质的物理过程。存在状态都是不变的，只有过程才是变化的。自由落体的加速形式是不变的，因此它也是一种状态。虽然在数学表述上F=ma与F=mg几乎是一样的，但实际上a和g在本质上完全不同。a代表的是物体运动状态的改变，它是一个物理过程的产物。而g代表的是物体的存在状态，不是物理过程。因为g=G_mD。D是质量场强度。这个强度反映的就是物质属性场的状态。由于G_m是一个常数，所以，g与D的关系总是对应的。因此，实际上g所代表的就是物质属性D的存在状态。而不是物体运动状态的改变形式。所以不能用a的定义去理解g。

这一点非常重要。习惯了用牛顿运动定律去理解自由落体加速度的人是很难转换观念的。因此也就很难理解自由落体运动是一个不受力的物体存在状态的事实。

四、自由运动与牛顿惯性定律有什么区别？自由运动在一个方面虽然与牛顿的惯性运动非常相似，但它们并不一样。自由运动强调的“不变”与牛顿惯性定律强调的“不变”具有不同的含义。自由运动强调的不变是指规律性的不变。而不是形式上的不变。而牛顿惯性定律强调的是形式上的不变。例如，对自由运动而言，在没有有效外力作用的前提下，匀速直线运动和匀速圆周运动是一样的。因为它们都不受力，所以它们都是自由运动。直线运动一直保持直线运动，圆周运动一直保持圆周运动。在圆周运动中，虽然方向改变了，但方向改变的这个规律是不变的。同样，在自由落体运动过程中，虽然速度一直在发生改变，但速度改变的规律是不变的。这就是自由运动与惯性运动的不同。惯性运动包含在自由运动之中，但自由运动并不局限于惯性运动。

五、自由运动的物理机制是什么？这也许是人们最想知道答案的一个问题。其实，自由运动反映出来的就是物质基本属性的状态。物质同时具有实体属性和场属性。只要物体不受到有效外力的作用，它们的属性对应关系就会保持在一种固定不变的状态下。这时候的物体所处的状态就是自由运动（包括静止）状态。例如，自由运动中的匀速直线运动就是一个物体的质量场与自身质心的不对称性处于固定不变的状态下的运动形式。自由运动中的自由落体运动就是两个物体之间的质量场与质心的相互不对称性处于一种固定不变规律下的运动形式。自由运动中的圆周运动就是匀速直线运动与自由落体运动同时并存叠加所表现出来的一种合成的运动形式。这就是为什么天体的运动是圆周形的，却又是惯性运动的原因。天体的自转和公转都是不受力的自由运动。因此它们都可以永远不停地运转下去。

对“自由运动”这个现象的认知和新概念的提出对解决很多物理学基本问题具有非常重大的理论意义。本人相信这将随着它被学界的逐渐接受而随之渐渐地展现出来。