客觀來說，慣性成因至今是個謎題

導讀：慣性成因至今是個謎題，沒有實驗可以驗證。

「伽利略變換」是一個被物理學家熟知的詞。該理論認為：一切彼此做勻速直線運動的慣性系，對於描寫機械運動的力學規律來說是完全等價的。或者說一個慣性系保持相對靜止或相對勻速直線運動狀態的參考系也是慣性系。且在一個慣性系內部所作的任何力學實驗都不能夠確定這一慣性系本身的運動狀態。舉一個例子，在一輛勻速行駛的火車上，人們看不到外面的情況，乘客能根據火車裡的情況分辨出這火車是靜止還是勻速直線運動的麼？相信我，是不能的！所以很明顯火車裡做的一切力學實驗，都跟在靜止的火車裡沒有任何區別。

也就是說，我們根本無法通過力學實驗區分這火車是靜止的還是勻速直線運動的，這就是伽利略的相對性原理。後面還會提到這個原理。

值得一提的是，我們認為在宇宙中並不存在真實的慣性系。慣性系是我們基於客觀延伸的產物。在慣性系中，物體不受外力時，總保持勻速直線運動或靜止狀態。試問，可以找到不受外力影響的物質或者參考系嗎？顯然由於萬有引力等因素，這樣的慣性系和物質是找不到的。所以說真實的慣性系是不存在的。

所以愛因斯坦曾指出牛頓第一定律【任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態，直到外力迫使它改變運動狀態為止。】有循環論證嫌疑。

後來朗道在《場論》給出了慣性系定義 ：牛頓第一定律成立的參照系叫做慣性系。 這一定義使我相信，牛頓第一定律本身字面上沒有循環論證的問題，但是在尋找慣性系的時候，它會出現這個問題。論證循環出現在定義慣性系需要依賴不受外力這個概念，定義不受外力又要依賴慣性系，這就是典型的循環論證。

事實上我們周圍的環境都是非慣性參考系，可是為什麼會用慣性系來描述運動方程。原因是在這個系統裡描述運動方程更簡單，更方便。

具體解釋是在空間中，相對於任何參考點（靜止中或移動中），運動中的粒子的位移、速度和加速度都可以測量計算而求得。雖然如此，經典力學假定有一組特別的參考系。在這組特別的參考系內，大自然的力學定律呈現出比較簡潔的形式，稱這些特別的參考係為慣性參考系（慣性系）。

慣性系有個特性：兩個慣性系之間的相對速度必是常數；相對於一個慣性系，任何非慣性參考系（非慣性系）必定呈加速度運動。所以，一個淨外力是零的點粒子在任何慣性參考系內測量出的速度必定是常數；只有在淨外力非零的狀況下，才會有點粒子加速度運動。因為萬有引力的存在，並無任何方法能夠保證找到淨外力為零的慣性系。

事實上，可以將慣性系看作是非慣性系的特殊情況。現實宇宙中非慣性系可以無限地接近慣性系，但是永遠不會成功。所以說慣性系是基於客觀的宇宙環境而推得的，基於此建立的物理大廈，也就不是空中樓閣。

談到這裡，我們就不可避免地要談到慣性【慣性即物體保持運動狀態不變的性質】。慣性和慣性系是兩個概念。慣性被認為是物質固有的屬性。無論是固體、液體或氣體，無論物體是運動還是靜止，都具有慣性。一切物體都具有慣性。且慣性的大小隻與物體的質量有關。質量大的物體運動狀態相對難於改變，也就是慣性大；質量小的物體運動狀態相對容易改變，也就是慣性小。

艾薩克·牛頓在巨著《自然哲學的數學原理》裡定義慣性為：慣性是物質固有的力，是一種抵抗的現象，它存在於每一物體當中，大小與該物體相當，並儘量使其保持現有的狀態，不論是靜止狀態，或是勻速直線運動狀態。

而慣性系是一個描述運動的參考系統。【牛頓第一定律成立的參照系叫做慣性系】

還有慣性和慣性定律也不是一回事。慣性是物質本身的屬性，我在上面已經說了。而慣性定律描述的是運動和力的關係。即這種關係表明了：力不是維持物體運動的原因，力是改變物體運動狀態的因素。

我們都知道了，慣性是物質的固有屬性，慣性的大小隻於物體質量大小有關，與運動狀態無關。

在這裡要引出另一個物質固有的屬性——萬有引力【任意兩個質點通過連心線方向上的力相互吸引。該引力大小與它們質量的乘積成正比與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學組成和其間介質種類無關。】 它的公式是：F=(G×M1×M2)/R²。我們可以從中看出萬有引力只與物體質量和物體間的距離有關。

大家應該已經看出來了，質量對於慣性和引力是根本的。所以在這裡又要引出慣性質量和引力質量。

首先對於慣性認識的一個重要進展是慣性與能量的關係。

阿爾伯特·愛因斯坦於1905年在論文《論動體的電動力學》裡提出的狹義相對論，這是一個嶄新的物理理論，是建立於上面所說伽利略與牛頓研究出來的慣性與慣性參考系。它統一了力學理論和電磁學理論，帶來了時空觀的根本變革。

愛因斯坦隨後證明質能關係：E=mc²，一定的質量對應於一定的能量，反之一定的能量對應一定的質量。

在這裡，能量包括了能量的各種形式，突破了上面把某一種形式的能量與慣性聯繫起來的認識。這樣慣性是能量的屬性，能量具有慣性（質量），任何慣性質量都應歸因於能量。作為物理學基本概念和物質的量的質量概念退居次要的地位，如今在近代物理中能量、動量等概念要比質量、力等概念要重要得多。

儘管這劃時代的理論實際地改變了許多牛頓概念，像質量、能量，那時候，愛因斯坦的慣性概念與牛頓的原本概念沒有任何差異。實際而言，整個理論是建立於牛頓的慣性定義。但這也使得狹義相對論的相對性原理只能應用於慣性參考系。在這種參考系裡，不受外力的物體，必定保持其靜止或勻速直線運動狀態。

為了處理這樣的局限，愛因斯坦於1916年發表論文《廣義相對論的基礎》。這理論能夠應用於非慣性參考系。但是，為了達到這目的，愛因斯坦發覺，他必須使用到彎曲時空的新概念，而不是傳統的牛頓力的概念，來重新定義幾個基礎概念（例如引力）。

狹義相對論的另一個深奧的結果是，能量與質量不是互不相干的物理屬性，而是可互相轉換的。這嶄新關係也給予慣性概念新的內涵。狹義相對論的邏輯結果是，假若質量遵守慣性原理，則能量必也遵守慣性原理。對於很多狀況，這理論大大地拓寬了慣性的定義，能夠應用於物質與能量。

能量具有慣性拓寬了我們對於慣性的認識，也拓寬了我們對於能量的認識。它帶來的重大實用價值就是核能的釋放。在裂變反應中，裂變產物的靜質量小於裂變前物質的靜質量，質量虧損釋放出大量裂變能；在聚變反應中，聚變產物的淨質量小於聚變前物質的淨質量，質量虧損釋放出大量的聚變能。它也使得人們很好地認識許多物理現象，包括涉及物質的全部質量與能量轉化的正反粒子對的產生和湮沒過程。

我們知道，慣性質量是物體慣性的量度，反映物體對加速度的阻抗，而引力質量是物體引力屬性的量度，反映物體產生和承受引力的能力。它們似乎是物質的兩種完全不同的屬性，那麼描述物質兩種不同性質的量是否嚴格相等是一個問題。

可是為什麼在上面要提出能量呢？因為能量是質量的時空分布變化程度的度量,用來表徵物理系統做功的本領。能量以多種不同的形式存在；按照物質的不同運動形式分類，能量可分為機械能、化學能、熱能、電能、輻射能、核能、光能、潮汐能等。這些不同形式的能量之間可以通過物理效應或化學反應而相互轉化。而各種場也具有能量。它是對物質宇宙是普遍適用的一個詞。而慣性，引力也是普遍適用的。

現在我們知道慣性質量和引力質量相等是一條嚴格的定律。原來牛頓力學中無法說明的慣性質量與引力質量相等不再是游離於物理學之外的一個普遍事實，而是成為廣義相對論的基石。愛因斯坦找到了這塊基石，並由此發展了廣義相對論，這是愛因斯坦獨具慧眼、超群絕倫的偉大貢獻。

慣性這個問題已經成為困擾現代物理學者的難題，雖然擁有偉人牛頓經典理論。但在科技時代出現許許多多的現象用以前的理論是無法解釋的。這也是現代物理的奠基人愛因斯坦留給我們後人的問題。

愛因斯坦無法解釋慣性，所以無奈地把相對論分成廣義的和狹義的。他本人也一直被這個問題困擾，並且致力於尋找宇宙統一的「力。」 即將引力，電磁力，強作用力，弱作用力，這四種宇宙基本力，納入到「一個系統。」但是終其一生，也沒有成功。

但是他一生的追求，一生對於探索的事業的執著，令我們動容！我很喜歡愛因斯坦的一句話：「想像力比知識更重要！」

所以鬥膽想像世界和宇宙是什麼樣是好奇。那麼思考曾經困擾牛頓，愛因斯坦的慣性問題，即使在當下也是不過時的。而且是至關重要的。因為我們如果對「根基」理解不深，那麼如何能夠深刻揭示宇宙規律呢？

慣性和引力被我們認為是完全不同的兩種物理屬性，但是它們之間既然存在著普遍的、嚴格的正比關係，是否有可能它們不過是物體同一本質在不同方面的表現呢？這一問題的回答是肯定的。

這個結論成功地經受了十分精確的實驗檢驗。

這類實驗經歷了三百年的歷史，直到目前尚在進行中．從牛頓時代的精確度為10-3發展到1922年愛德維斯提高到3×10-9。到1964年狄克把精確度提高到（1.3±1.0）×10-11，1971年，勃萊根許和佩諾又將實驗的精確度提高到10-12數量級。所有這些實驗，統統均證實了等於常數。

因此，目前普遍認為物體的兩種不同屬性——慣性和引力，是它的同一本質的不同方面的表現。也就是說，物體的慣性和引力性質導源於物體的同一本質。

愛因斯坦就曾把這兩種質量的等同作為他建立廣義相對論的出發點。故從現代物理學看來，這兩者的等同絕非偶然，其中包含著深刻的物理意義。那就很顯然了，困擾眾多物理學家的問題是這兩者究竟有什麼深刻的物理意義？

答案是：引力是慣性的源泉！該如何解釋這句話呢？無論是哲學還是物理都必須「精確」地解釋。

上面我們討論了慣性系。在現實宇宙中找不到慣性系，無論從全局宇宙還是局部空間來說都是。

而我以為問題本身恰恰就是答案。我們不能在宇宙中找到一個真實的慣性系。而引力質量又與慣性質量嚴格相等，這是公認的。但這絕不是巧合。所以解釋慣性系的答案還是引力，必須是引力。當然最根本的東西還是物質,物質時空。因為物質具有引力，因為物質時空產生引力。

也就是說時空的引力才使得物質具有慣性，這就是我的觀點。這樣為什麼在宇宙中找不到慣性系的問題就解決了，因為引力。牛頓第一定律也就沒有循環論證的嫌疑了，因為根找到了。

引力如何使得物質具有慣性？是我要接下來要分析的。這時候我要引出另一個大家熟悉的關鍵詞——引力場。

我們知道任一物體在空間任一點的引力影響用一個表示該點引力強度來代表。嚴格講，一個物體的引力場可以延伸到整個宇宙，但實際上它的影響只在它的近鄰區域才是顯著的。這點通過萬有引力公式便可以看出。

也就是說一個物體，它受到四面八方的萬有引力的影響，處於密集的不均勻的引力場中。而這個引力場顯然是由宇宙中的四面八方的物質所產生的。正是這樣的引力場，使得物體具有保持原來運動狀態的性質，即我們所說的慣性。而且物質質量越大，保持這樣的運動狀態的能力就越強。這與質量越大引力越大不謀而合。

而要改變物體的運動狀態，必須克服慣性。準確的說是克服引力場慣性。而物體的運動狀態改變後，便會處於「新的」引力場中，「新的」引力場依然有保持它繼續處於當前運動狀態的性質。我們可以把這樣的情況稱之為：引力場均衡。

而且我將同一個物體的相對靜止「引力場均衡」轉變為相對運動的「引力場均衡」的轉換速度定為光速。也就是說引力作用的速度是光速！

而且物體的運動不是絕對空間中的絕對運動，而是相對於宇宙中其他物質的相對運動，因而不僅速度是相對的，加速度也是相對的；在慣性系和非慣性系中物體所具有的慣性是一種宇宙物質引力場的表現，即是宇宙中其他物質對該物體的作用；所以物體的慣性不是物體自身的屬性，而是宇宙物質空間產生的引力場作用的結果。但與物體的質量有關，引力場是根據物體的質量「智能」作用物體的。這就是為什麼慣性質量與引力質量是嚴格相等的原因。

也可以這樣表述：慣性是物體自身的屬性【物質與時空是一體的】的延伸，與物體本身不可分。但是本質是物體引力的作用。假設引力消失，那麼慣性將不復存在！顯然這是不可能出現的情況。

馬赫是第一個批評牛頓的經典力學時空觀的人，而愛因斯坦正是吸取了馬赫原理的精闢理論，創立了廣義相對論。馬赫強調了宇宙物質的整體對於慣性的作用，卻忽略了物體本身，以及慣性與引力的關係，這將導致慣性作用的超距情況。但他的觀點很先進。

事實上牛頓是將慣性看作物體的內稟屬性；而馬赫則認為慣性是宇宙物質整體作用於物質的結果。而愛因斯坦贊同了馬赫的關於慣性的認識。那麼應該是這樣的，馬赫批評了牛頓的絕對時空，那麼就應該想到了物質作用的傳遞速度是有限的，不該是牛頓認為的超距作用。

我在網絡上看到一個叫殷業的大學生的論文《馬赫原理及其物理模型》中贊同馬赫的這種觀點。他寫道：如果慣性與近場宇宙物質有關，近場宇宙物質又是不停運動的，也就是分布是變化的，如太陽相對地球上的物體，一年四季太陽到地球的距離變化很大。在冥王星上，近日點和遠日點要差1.68倍，所以必然得出慣性是變化的，但我們一般認為如果物體相對慣性參照系靜止，則相對於該參照系的慣性是不變的，這就產生了矛盾，所以慣性只能與遙遠宇宙物質有關。

如果慣性只看作遠場宇宙物質的話，反而大錯了。遠距離傳遞的滯後性，於我們現在所觀測到慣性現象嚴重不符。這樣滯後性表現在相對於一個物體的運動狀態的改變，物體抵抗運動狀態的改變是立刻體現的，而遠場宇宙物質考慮到傳遞速度有限則不能。如果不考慮傳遞速度，那麼又回到了牛頓的超距作用，這與之前的馬赫批判矛盾。那麼該大學生到底是支持牛頓呢，還是支持馬赫呢？

而作者在上面所說矛盾，恰恰應該是支持了引力是慣性源泉的論點，也是慣性質量嚴格相等於引力質量的原因。

其實上面作者的問題，可以轉化為地球表面的情況。比如地球表面100KG的物體，在不同緯度，所受到的引力不同，重力加速度就會有小波動。也就是說考慮引力不僅要考慮它的質量和距離，而慣性目前只認為與質量有關，與距離沒有關係。

所以引力是慣性的源泉，並不意味著慣性的大小也需要考慮距離。事實上我們可以這樣想，引力無論在地球哪個位置，有變化，都改變不了同樣質量的物體的引力質量與慣性質量嚴格相等的事實。而引力作為慣性的源泉，引力的變化，對於慣性質量是不變的。所以上面大學生關於慣性與近場和遠場宇宙物質是不同的，這個觀點是錯誤的。

一定要理解引力是物體與物體的作用，而慣性強調當物體引力延伸的性質。所以他受引力場影響，卻不遵從距離反比定律。其實涉及慣性的概念時候，可以不受任何力的概念影響。慣性力不是真實的力。牢牢記住一個觀點，慣性質量是不變的，慣性的產生與引力有關。這樣就可以解決馬赫問題了。

摘自獨立學者，科普作家靈遁者科普作品《變化》