力与运动之间关系的又一个颠覆性发现

马海飞

（http://blog.sina.com.cn/gfis 2020年9月27日星期日）

两千多年前的亚里士多德对力与物体运动之间关系的认识是：力是维持物体运动的原因。他认为，所有形式的物体运动都是依靠力来维持的。离开了力，物体就不会运动。离开了力，原本运动着的物体就会慢慢停止下来。这个观点持续了将近两千年。直到伽利略用惯性运动实验才证明了亚里士多德的这个观点是错的。

伽利略做的惯性运动实验是一个斜面实验。让一个光滑的金属小球从（理论上）完全没有摩擦力的斜面上滚到一个完全没有摩擦力的光滑水平面上。于是，这个小球就会以匀速运动的形式永无止境地在这个水平面上一直向前滚下去，直到被外力改变为止。伽利略从这个实验中得到了惯性原理。这个原理说的是：物体只要不受到外力的作用，就会保持其原来的静止状态或匀速运动状态不变。这样的运动是惯性运动。惯性运动不需要力来维持就可以一直永远运动下去。

这个惯性原理彻底颠覆了亚里士多德的观点。从此以后，物理学对力的定义发生了彻底改变。物理学中的力被定义为“是改变运动状态的原因”。再也不是维持物体运动的原因了。

需要特别指出的是，伽利略做的这个斜面实验是在水平面上而不是在绝对的平面上做的。水平面实际上是弧形的面并不是平直的面。伽利略的惯性原理后来被牛顿加工成了惯性定律。并且把水平面变成了平面。因此，惯性定律就变成了现在这个样子。即：所有物体都将一直处于静止或者匀速直线运动状态，直到出现施加其上的力改变它的运动状态为止。把惯性运动局限在平面上的直线。于是惯性运动就变成了匀速直线的运动。这与伽利略沿着水平面的弧线运动有所不同。而且，从牛顿以后所说的惯性运动都是匀速直线运动。不再包括伽利略的那种在水平面上的运动。现在教科书中说的惯性运动都是匀速直线运动。虽然惯性运动也有（匀速）速度和（直线）方向，但惯性运动是一种不受力的运动形式。这是毫无争议的事实。因此，现在教科书里只讲牛顿的惯性定律，不讲轻易讲伽利略的惯性原理了。

不管怎样，伽利略的斜面实验实验和惯性原理毋庸置疑在力与运动关系的观点上是颠覆性的。这是伽利略的功劳而不是牛顿的功劳。

在现在的物理学教科书中，再也没人怀疑“力是改变物体运动状态的原因”这个观点了。可是，也没人对伽利略在水平面上作的斜面实验和惯性原理作出合理的解释。伽利略的斜面实验和惯性原理被牛顿的惯性定律挤压在物理学的角落里三百多年不见天日。少有人问津。

从伽利略到现在又过去了四百多年，但在关于力与运动的问题上几乎没什么大的进展。不过就在最近十年左右，又一个颠覆性的发现出现了。这个发现就是：自由落体运动与惯性运动在力与运动的关系上属于同一类运动形式。它们都是不受力的运动。

自从牛顿以来的三百多年期间，包括牛顿在内人们一直认为自由落体运动是一种物体在受力过程中产生出来的运动形式。其实自由落体运动与惯性运动一样，是不受力的运动。把自由落体运动说成是受力运动的做法与亚里士多德把惯性运动也说成是受力运动的做法一样。他们都错在“力是维持物体运动的原因”这个观点上。亚里士多德认为，惯性运动是由力维持的。牛顿认为，自由落体运动也是由力维持的。二者的观点是一样的。而二者的观点都是错的。

关于惯性运动是一种不受力的运动形式的问题在教科书里讲得都很明白。无需多谈。至于自由落体运动也是一种不受力运动的问题是本人发现的。教科书里还没有这些内容。但在本人的很多文章中都解释过。简单地说就是：自由落体加速度起源于物质的基本自然属性之一的属性场。因为有了这样的自由落体加速度，因此物体就会产生出自由落体运动。所以说，自由落体运动是一种物质属性决定的运动，而不是一种由力学原因导致的运动。因此自由落体运动是一种不受力的运动。就这么简单。人们对这个结论难以理解的原因来自于对力的定义和对物体改变运动状态的理解。力的定义是：力是改变物体运动状态的原因。与此同时，通常人们认为，物体运动状态的改变包括速度和方向的改变。由于自由落体运动是一个不断加速的运动状态，因此，人们自然就会把自由落体运动想像成是一个受力的运动。其实这种想法是错的。自由落体运动过程中的加速运动形式是这种运动原始的本能运动状态。就像惯性运动中的匀速直线运动形式是这种运动原始的本能状态一样。因此，对自由落体运动来说，在不受力的时候表现出来的就是有特定规律的变加速运动状态。只有当自由落体才受到外力作用的时候，这种变加速的运动状态才会被改变。这个发现对牛顿理论来说当然是颠覆性的。但它并不影响力的定义。“力是改变物体运动状态的原因”这个定义与“自由落体运动是不受力运动”之间毫无矛盾。那些感觉有矛盾的人都是没有真正理解“自由落体运动的原始运动状态就是一个变加速运动”的人。

知道了自由落体运动与惯性运动意义都是不受力运动之后，就很容易理解伽利略的斜面实验和惯性原理了。也就是说，一个物体从斜面上滚下来之后，在完全没有摩擦力的水平面上可以永恒运动下去。这似乎与牛顿的惯性定律中的匀速直线运动不相符。其实不然。牛顿惯性定律中的匀速直线运动完全没有错。而伽利略惯性原理中的水平面上的弧线匀速运动也没有错。为什么会这样呢？原因就来自自由落体运动。也就是说，在牛顿的惯性运动中描述的是只有一个单一运动所表现出来的现象。那就是匀速直线运动。而在伽利略的斜面实验和惯性原理中所描述出来的现象实际上是惯性运动与自由落体运动这两个不受力的运动合成在一起所产生出来的综合效果。由此可见，如果在地球表面建立一条水平的环地球轨道。假设这条轨道没有任何摩擦力和阻力的话，那么沿着这条轨道运行的车在不受任何其他外力作用的情况下就会永远运行下去。其实，天体的运行就是如此。月球围绕地球转，地球围绕太阳转。所有天体的公转都是由水平切线方向上的惯性运动和垂直方向上的自由落体运动合成的结果。由于这两种运动都不受力，不需要力来维持，因此，天体的公转在理论上是可以无限持续下去的。不受力就不消耗能量。这就是为什么星系在数十亿年期间都很稳定的原因。

为什么自由落体运动与惯性运动都是不受力的运动？它们之间的内在联系是什么呢？

关于这些问题，要从物质的基本自然属性上进行解释。根据本人的研究发现，物质具有两个基本的自然属性。一个是实体属性，另一个是场属性。也就是说，任何一个物体都同时既有实体属性又有场属性。以地球为例，地球既有实体的球体，也有一个包围在地球实体外围的属性场。地球的实体与地球的属性场合在一起才是完整的地球。康乐球也是如此。所有物体都是如此。

物体运动的本质实际上就是物质的属性场与实体质心之间处于不对称时的存在状态。举例来说，一个静止不动的康乐球存在于地球上空的属性场内时，地球的属性场与康乐球的质心之间实际上是处于不对称状态的。所有，这个康乐球如果不受任何外力作用的话，它就不可避免地会落向地心方向。这就是自由落体运动。这是两个物体之间相互属性场与质心不对称与运动的关系。就一个单独的物体来说，例如一个康乐球。无论它是在外太空还是在地球表面完全没有摩擦力的平台上，如果它是静止的，它自身的属性场与自身的质心就处于完全的对称状态。当它受到外力作用之后，它的属性场与质心之间就出现了不对称性。于是，这个康乐球就按照属性场与质心不对称的状态表现出了运动的状态。在这种状态下，即使康乐球不再受力，但因为它自身的属性场与质心之间处于不对称状态，所以，它就会一直保持这种不对称状态。在外观上表现出来的运动就是匀速直线运动。也就是惯性运动。

所以说，无论是惯性运动还是自由落体运动，都是因为物质的属性场和物质实体的质心之间的不对称导致和维持的。只要有属性场与质心的不对称存在，物体就一定表现出运动。

理解了不受力的惯性运动与自由落体运动与属性场和物体质心的关系之后就不难理解，物体的加速运动和减速运动则与物质属性场与质心之间不对称性的变化有关。一个一直受到外力作用的康乐球处于不断的加速运动状态。这时这个康乐球的属性场与质心的不对称性就在不断增加。相反，减速运动则是让属性场与质心的不对称性减小。当属性场与质心完全对称的时候，康乐球处于静止状态。

我把本文题目叫做“力与运动之间关系的又一个颠覆性发现”。意思是说伽利略曾经发现力并不是维持物体运动的原因。惯性运动是一个不受力的运动形式。这是有关力与运动关系问题的一个颠覆性发现。这个发现的结果导致了力的定义变成了“是改变物体运动状态的原因。现在，我发现，虽然力是改变物体运动状态的原因，但物体运动状态的改变并不是包括所有的物体运动速度与方向的变化。在自由落体运动中虽然速度一直在发生变化，但这并不是运动状态的变化。因为自由落体运动原有的运动状态本来就是在不停地加速运动。不让自由落体运动的物体加速才是对这种运动状态的改变。因此，自由落体运动就像惯性运动一样也是一个不受力的运动形式。当不受力的惯性运动和自由落体运动在方向上互相垂直时，二者合成的运动形式就是天体公转的那种圆周运动。虽然这种运动在速度和方向上都一直处于改变之中，但从运动形式上来说，它们的运动状态始终如一。只要没有外力作用于它们，它们就会永远以这种运动状态运动下去。所以说，“力是改变物体运动状态的原因”这个定义虽然完全没错，但对“改变物体运动状态”的解释却必须要注意。地球自转是一种运动状态。如果没有外力干扰的话，地球会像惯性运动一样永远以这种状态转动下去。自由落体运动也是如此，天体的公转也是如此。所以，把所有物体在运动速度和方向上的改变都说成是运动状态的改变的做法是完全错误的。在自由落体运动过程中虽然速度不断改变，但它的运动状态却始终都没有改变。因此，自由落体运动跟惯性运动一样是一个不受力的运动形式。这就是我题目中所说的“又一个颠覆性的发现”。是继伽利略的惯性运动是不受力运动之后的又一个颠覆性的发现。

从这个发现可以看出，伽利略以地球水平弧面上的运动形成的惯性原理是完全没有问题的。只不过这个运动不是一个单一的运动形式，而是由垂直的自由落体运动和水平切线方向的惯性运动合成的运动形式而已。牛顿的惯性定律则是把伽利略惯性原理中的两个运动中的一个惯性运动取出来形成的定律。惯性定律中缺少了自由落体运动也是不受力运动的成分。所以，用牛顿的惯性定律解释不了天体圆周运动的永恒性。这是牛顿惯性定律的一个缺陷。

就像惯性运动不是靠力来维持的道理一样，自由落体运动也不是靠力来维持的。