今天老郭跟大家聊聊【慣性】，是物理學(xué)上的慣性，不是心理學(xué)上的慣性。可能有的小伙伴會說：“不就是【慣性】嘛，有什么好聊的?！鄙踔寥藗冏砸詾槭堑卣J(rèn)為，【慣性】概念已經(jīng)從牛頓時代就被人類了解并掌握了。其實慣性的背后蘊(yùn)含著深刻的科學(xué)道理，愛因斯坦在對慣性的深刻理解之上，建立了廣義相對論的理論基礎(chǔ)之一：等效原理。由此看，簡單的【慣性】并不簡單。

一、生活中有哪些慣性現(xiàn)象

如果沒記錯的話，慣性這個物理概念應(yīng)該是我們在初中的時候開始接觸的。早在我們接觸慣性這個概念之前，就已經(jīng)在日常生活中應(yīng)用慣性現(xiàn)象了。比如，拍打身上的衣服，振落身上的塵土、冬天進(jìn)入室內(nèi)之前跺腳抖落鞋上的冰雪、用錘子釘釘子、農(nóng)村的揚(yáng)谷子（就是用木锨將谷子拋向空中，借助風(fēng)的力量讓谷子和谷糠等分離，谷糠質(zhì)量小同樣的風(fēng)速獲得的速度快，跑得遠(yuǎn)，以達(dá)到凈化谷子的目的。），男孩子們用彈弓射出去的泥球等等。我們在日常生活中也可以隨處感受到慣性的存在，比如，汽車加速帶來的推背感、急剎車的時候我們的身體會前傾，一厚落的書如果我們抽掉最下面的，上面的書會直接落到原來的位置上、火車啟動的時候要先倒退一下等等。可以說慣性現(xiàn)象隨處可見，只要有物體存在，就有慣性現(xiàn)象存在。

二、慣性究竟是什么呢

觀察兩個慣性應(yīng)用的現(xiàn)象。第一個，有一年春節(jié)晚會有個小品叫《砸墻》，黃宏演的農(nóng)民工一邊砸墻一邊喊：“八十、八十……”，鞏漢林在旁邊急忙喊停，黃宏說：“掄大錘最怕喊停，容易腰脫”。第二個，大家上學(xué)的時候體育課上都推過鉛球吧，小鉛球容易推得更遠(yuǎn)，大鉛球推得就比較近。我們從這兩個現(xiàn)象中可以總結(jié)出來：不論是靜止的物體還是運動的物體都有慣性，慣性是物體保持運動狀態(tài)不變的一種特性。

三、慣性都跟什么有關(guān)系呢

大錘八十，小錘四十，這是因為掄大錘要比小錘累。推鉛球也是如此，重的鉛球比輕的鉛球更難推出去。大錘和小錘、重鉛球和輕鉛球它們之間的區(qū)別就是質(zhì)量不同。由此我們可以得出：質(zhì)量越大，慣性越大，質(zhì)量是慣性的度量。

四、用實驗得出加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

既然今天要探討的是科學(xué)問題，當(dāng)然離不開科學(xué)實驗。不能想當(dāng)然地給出慣性定律的公式。回顧一下高中時候我們做過的一個實驗：《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》。實驗設(shè)備為：1、打點計時器；2、紙帶；3、小車；4、一端裝有定滑輪的長木板；5、砝碼。實驗裝置如圖。

改變砝碼的重量為小車提供不同的牽引力，用直尺測量紙帶上不同點的間距和時間的關(guān)系來計算加速度。通過數(shù)據(jù)分析，我們可以得到如下結(jié)論：在加速度和質(zhì)量一定的情況下，物體加速度的大小跟作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，且與物體質(zhì)量的倒數(shù)成正比。加速度的方向跟作用力的方向相同。牛頓第二運動定律可以用比例式來表示，即a∝F/m 或F∝ma ；也可以用等式來表示，即F=kma，其中k是比例系數(shù)；只有當(dāng)F以牛頓、m以千克、a以m/s2為單位時，F(xiàn)=ma成立。

大學(xué)的時候這個實驗的精度提高了，用氣墊導(dǎo)軌代替了木板，并且測量也使用了光電開關(guān)，精度無疑是大大提高了。（圖5）

五、慣性質(zhì)量

如果在上面的實驗中，改變小車的質(zhì)量，而砝碼提供的牽引力不變，重復(fù)前面的實驗，用相同的方法分析實驗數(shù)據(jù)。我們可以發(fā)現(xiàn)，不同質(zhì)量的小車的加速度之比a1/a2是一個常數(shù)，與牽引力的大小無關(guān)。這個實驗結(jié)果可以表明，a1/a2之值僅由該兩物體本身的慣性所決定，與其他因素?zé)o關(guān)。

物理學(xué)中規(guī)定：各物體的慣性質(zhì)量與它們在相同的力作用下獲得的加速度數(shù)值成反比。若用m1及m2分別表示兩物體的慣性質(zhì)量，則m2/m1=a1/a2。選定其中一物體的慣性質(zhì)量作為慣性質(zhì)量的單位后，另一物體的慣性質(zhì)量可通過實驗由上式確定。

我們由此看出：慣性質(zhì)量是度量物體慣性大小的物理量。用慣性秤可以測量物體的慣性質(zhì)量，慣性秤稱是用振動法來測定物體慣性質(zhì)量的裝置。

六、引力質(zhì)量

實驗室中最常用的稱量質(zhì)量的工具并不是慣性秤，而是天平，這又是個什么情況呢？這就是我們現(xiàn)在要說的引力質(zhì)量。慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是兩個不同的物理概念，萬有引力定律公式中的質(zhì)量稱為引力質(zhì)量，它表示物體產(chǎn)生引力場或變引力作用的本領(lǐng)。我們這里直接給出萬有引力公式，即：F=GMm/r^2。

處于引力場中的具有質(zhì)量的物質(zhì)，都會受到引力的作用。在同一引力場強(qiáng)度下，物體所受到的作用力同物體的質(zhì)量成正比。物理學(xué)上將這種方法得出的質(zhì)量叫做引力質(zhì)量。天平兩個托盤上的物體是處于同一個引力場當(dāng)中，它們所受到的引力與物體的質(zhì)量成正比，天平就是利用這個原理來測量物體的質(zhì)量的一種稱量工具。

七、引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量相等

我好像越寫越多了，有點超越了本文要討論的話題，但這個概念很重要，在此不得不提一下。牛頓之前那個時代應(yīng)該是沒有人考慮過這個問題，但牛頓確實是自己做實驗來驗證過的，他在10^-3精度上驗證了慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等。在牛頓定律中，這兩個質(zhì)量相等只是一個巧合，并沒有什么重要的意義。但是在愛因斯坦1916年廣義相對論的論文中，這個問題被提出來了，并以此為依據(jù)建立了等效原理，成為了廣義相對論的理論基礎(chǔ)之一。

廣義相對論的提出，引起了物理學(xué)家們的極大興趣，很多有才華的實驗物理學(xué)家對此展開了實驗驗證。這中間我只提一個最佩服的實驗物理學(xué)家厄缶，他不斷改進(jìn)扭稱實驗，提高實驗的精度，消耗了25年的時間，終于在10^-8精度范圍內(nèi)證明了慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量相等。在上世紀(jì)90年代，又有現(xiàn)代實驗物理學(xué)家，在10^-12精度范圍內(nèi)再次證明了引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量相等。

由此我們也可以看出，廣義相對論的理論基礎(chǔ)經(jīng)受住了客觀實踐的嚴(yán)格檢驗。有理由相信，未來，慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量一定可以在更高的精度范圍內(nèi)再次得到驗證。

八、理解慣性概念經(jīng)常容易犯的幾個錯誤

“慣性”的概念很簡單，慣性的概念很基礎(chǔ)，慣性的概念一直都在學(xué)，然而仍然有很多人弄不明白慣性究竟是咋回事。所有的概念都背得呱呱叫，一到實際問題就會犯經(jīng)驗主義的錯誤，甚至有人弄出“甩轉(zhuǎn)力”這種笑話出來。為此老郭整理了一下，人們對于【慣性】概念常見的誤區(qū)：

１．慣性是物體的固有屬性。不論物體的大小，不論是靜止還是運動，不論物體在什么地方。一切物體在任何時刻，任何情況下都具有慣性，是不依外界（作用力）條件而改變，它始終伴隨物體而存在。

２．“慣性”與“力”的區(qū)別。①物理意義不同；慣性是物體本身的屬性，始終具有這種性質(zhì)，它與外界條件無關(guān)；力則只有物體與物體發(fā)生相互作用時才有，離開了物體就無所謂力．②構(gòu)成的要素不同：慣性只有大小，沒有方向和作用點，而大小也沒有具體數(shù)值，無單位；力是由大小、方向和作用點三要素構(gòu)成。③慣性是保持物體運動狀態(tài)不變的性質(zhì)；力作用則是改變物體的運動狀態(tài)．

3．“慣性”與“速度”的區(qū)別。慣性大小與物體運動的快慢無關(guān)。速度快，剎車距離長，不是因為慣性大，而是摩擦力不夠大而已。

九、慣性的應(yīng)用

提到【慣性】的應(yīng)用，可能很多小伙伴會不以為然，這么簡單的一個物理概念能有啥大用？然而事實并非如此。我們前面提到了一些日常生活中對于慣性現(xiàn)象的簡單應(yīng)用，其實慣性在現(xiàn)代高科技裝備上，慣性現(xiàn)象在很多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。老郭在這里舉幾個例子：慣性導(dǎo)航、aLIGO引力波探測器反射鏡懸臂（圖10 科學(xué)家演示的ligo引力波探測儀激光干涉臂上反光鏡的慣性穩(wěn)定原理）、慣性約束核聚變（圖11）、無人機(jī)、交通測量等。

十、慣性與宇宙

慣性現(xiàn)象不僅跟我們生活中的物體運動密不可分，甚至行星和恒星的形成現(xiàn)在結(jié)構(gòu)也都跟慣性有關(guān)（質(zhì)量大的元素都在星體的核心）。我們現(xiàn)在知道，地球有一個熔融狀態(tài)的鐵核心，這就是因為重元素的慣性大，同樣條件下速度低，較輕的元素因為慣性小，獲得速度更容易，運動速度快，就運動到地球的表層。恒星也是如此，并且這種過程還會影響到恒星的壽命，這里我就不細(xì)說了，以后單獨撰文來介紹。

慣性這樣一個最基礎(chǔ)的物理概念，不僅關(guān)系著簡單的物質(zhì)運動，更關(guān)系著宇宙的結(jié)構(gòu)，物理定律約束著宇宙的狀態(tài)。本文關(guān)于【慣性】的概念我們就介紹到這里了，希望本文能夠幫助您深刻地理解【慣性】。下一篇中我們利用本文的慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等介紹等效原理，進(jìn)一步去理解引力的本質(zhì)，并嘗試解讀時空彎曲。

我是老郭，一個普通的科學(xué)愛好者，物理系的畢業(yè)生，持續(xù)為您提供高質(zhì)量的科普文章。