十种不可思议的物理现象（一个生活中常见的物理现象）

今天老郭跟大家聊聊【惯性】，是物理学上的惯性，不是心理学上的惯性。可能有的小伙伴会说：“不就是【惯性】嘛，有什么好聊的。”甚至人们自以为是地认为，【惯性】概念已经从牛顿时代就被人类了解并掌握了。其实惯性的背后蕴含着深刻的科学道理，爱因斯坦在对惯性的深刻理解之上，建立了广义相对论的理论基础之一：等效原理。由此看，简单的【惯性】并不简单。

图1 惯性现象情景模拟

如果没记错的话，惯性这个物理概念应该是我们在初中的时候开始接触的。早在我们接触惯性这个概念之前，就已经在日常生活中应用惯性现象了。比如，拍打身上的衣服，振落身上的尘土、冬天进入室内之前跺脚抖落鞋上的冰雪、用锤子钉钉子、农村的扬谷子（就是用木锨将谷子抛向空中，借助风的力量让谷子和谷糠等分离，谷糠质量小同样的风速获得的速度快，跑得远，以达到净化谷子的目的。），男孩子们用弹弓射出去的泥球等等。我们在日常生活中也可以随处感受到惯性的存在，比如，汽车加速带来的推背感、急刹车的时候我们的身体会前倾，一厚落的书如果我们抽掉最下面的，上面的书会直接落到原来的位置上、火车启动的时候要先倒退一下等等。可以说惯性现象随处可见，只要有物体存在，就有惯性现象存在。

图2 农村扬谷子（惯性的应用）

观察两个惯性应用的现象。第一个，有一年春节晚会有个小品叫《砸墙》，黄宏演的农民工一边砸墙一边喊：“八十、八十……”，巩汉林在旁边急忙喊停，黄宏说：“抡大锤最怕喊停，容易腰脱”。第二个，大家上学的时候体育课上都推过铅球吧，小铅球容易推得更远，大铅球推得就比较近。我们从这两个现象中可以总结出来：不论是静止的物体还是运动的物体都有惯性，惯性是物体保持运动状态不变的一种特性。

图3 自行车运动员惯性扑街

大锤八十，小锤四十，这是因为抡大锤要比小锤累。推铅球也是如此，重的铅球比轻的铅球更难推出去。大锤和小锤、重铅球和轻铅球它们之间的区别就是质量不同。由此我们可以得出：质量越大，惯性越大，质量是惯性的度量。

既然今天要探讨的是科学问题，当然离不开科学实验。不能想当然地给出惯性定律的公式。回顾一下高中时候我们做过的一个实验：《探究加速度与力、质量的关系》。实验设备为：1、打点计时器；2、纸带；3、小车；4、一端装有定滑轮的长木板；5、砝码。实验装置如图。

图4 探究加速度与力、质量的关系实验

改变砝码的重量为小车提供不同的牵引力，用直尺测量纸带上不同点的间距和时间的关系来计算加速度。通过数据分析，我们可以得到如下结论：在加速度和质量一定的情况下，物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比。加速度的方向跟作用力的方向相同。牛顿第二运动定律可以用比例式来表示，即a∝F/m 或F∝ma ；也可以用等式来表示，即F=kma，其中k是比例系数；只有当F以牛顿、m以千克、a以m/s²为单位时，F=ma成立。

大学的时候这个实验的精度提高了，用气垫导轨代替了木板，并且测量也使用了光电开关，精度无疑是大大提高了。（图5）

图5 气垫导轨牛二定律验证实验

如果在上面的实验中，改变小车的质量，而砝码提供的牵引力不变，重复前面的实验，用相同的方法分析实验数据。我们可以发现，不同质量的小车的加速度之比a1/a2是一个常数，与牵引力的大小无关。这个实验结果可以表明，a1/a2之值仅由该两物体本身的惯性所决定，与其他因素无关。

物理学中规定：各物体的惯性质量与它们在相同的力作用下获得的加速度数值成反比。若用m1及m2分别表示两物体的惯性质量，则m2/m1=a1/a2。选定其中一物体的惯性质量作为惯性质量的单位后，另一物体的惯性质量可通过实验由上式确定。

我们由此看出：惯性质量是度量物体惯性大小的物理量。用惯性秤可以测量物体的惯性质量，惯性秤称是用振动法来测定物体惯性质量的装置。

图6 托盘天平

实验室中最常用的称量质量的工具并不是惯性秤，而是天平，这又是个什么情况呢？这就是我们现在要说的引力质量。惯性质量和引力质量是两个不同的物理概念，万有引力定律公式中的质量称为引力质量，它表示物体产生引力场或变引力作用的本领。我们这里直接给出万有引力公式，即：F=GMm/r^2。

处于引力场中的具有质量的物质，都会受到引力的作用。在同一引力场强度下，物体所受到的作用力同物体的质量成正比。物理学上将这种方法得出的质量叫做引力质量。天平两个托盘上的物体是处于同一个引力场当中，它们所受到的引力与物体的质量成正比，天平就是利用这个原理来测量物体的质量的一种称量工具。

图7 卡文迪许扭称实验示意图

我好像越写越多了，有点超越了本文要讨论的话题，但这个概念很重要，在此不得不提一下。牛顿之前那个时代应该是没有人考虑过这个问题，但牛顿确实是自己做实验来验证过的，他在10^-3精度上验证了惯性质量与引力质量相等。在牛顿定律中，这两个质量相等只是一个巧合，并没有什么重要的意义。但是在爱因斯坦1916年广义相对论的论文中，这个问题被提出来了，并以此为依据建立了等效原理，成为了广义相对论的理论基础之一。

广义相对论的提出，引起了物理学家们的极大兴趣，很多有才华的实验物理学家对此展开了实验验证。这中间我只提一个最佩服的实验物理学家厄缶，他不断改进扭称实验，提高实验的精度，消耗了25年的时间，终于在10^-8精度范围内证明了惯性质量和引力质量相等。在上世纪90年代，又有现代实验物理学家，在10^-12精度范围内再次证明了引力质量和惯性质量相等。

由此我们也可以看出，广义相对论的理论基础经受住了客观实践的严格检验。有理由相信，未来，惯性质量和引力质量一定可以在更高的精度范围内再次得到验证。

图8 厄缶改进的卡文迪许实验

“惯性”的概念很简单，惯性的概念很基础，惯性的概念一直都在学，然而仍然有很多人弄不明白惯性究竟是咋回事。所有的概念都背得呱呱叫，一到实际问题就会犯经验主义的错误，甚至有人弄出“甩转力”这种笑话出来。为此老郭整理了一下，人们对于【惯性】概念常见的误区：

１．惯性是物体的固有属性。不论物体的大小，不论是静止还是运动，不论物体在什么地方。一切物体在任何时刻，任何情况下都具有惯性，是不依外界（作用力）条件而改变，它始终伴随物体而存在。

图9 引力波探测仪激光干涉原理图

２．“惯性”与“力”的区别。①物理意义不同；惯性是物体本身的属性，始终具有这种性质，它与外界条件无关；力则只有物体与物体发生相互作用时才有，离开了物体就无所谓力．②构成的要素不同：惯性只有大小，没有方向和作用点，而大小也没有具体数值，无单位；力是由大小、方向和作用点三要素构成。③惯性是保持物体运动状态不变的性质；力作用则是改变物体的运动状态．

3．“惯性”与“速度”的区别。惯性大小与物体运动的快慢无关。速度快，刹车距离长，不是因为惯性大，而是摩擦力不够大而已。

图10 ligo引力波探测仪惯性稳定原理

提到【惯性】的应用，可能很多小伙伴会不以为然，这么简单的一个物理概念能有啥大用？然而事实并非如此。我们前面提到了一些日常生活中对于惯性现象的简单应用，其实惯性在现代高科技装备上，惯性现象在很多领域都发挥着重要的作用。老郭在这里举几个例子：惯性导航、aLIGO引力波探测器反射镜悬臂（图10 科学家演示的ligo引力波探测仪激光干涉臂上反光镜的惯性稳定原理）、惯性约束核聚变（图11）、无人机、交通测量等。

图11 惯性约束核聚变反应点火装置

惯性现象不仅跟我们生活中的物体运动密不可分，甚至行星和恒星的形成现在结构也都跟惯性有关（质量大的元素都在星体的核心）。我们现在知道，地球有一个熔融状态的铁核心，这就是因为重元素的惯性大，同样条件下速度低，较轻的元素因为惯性小，获得速度更容易，运动速度快，就运动到地球的表层。恒星也是如此，并且这种过程还会影响到恒星的寿命，这里我就不细说了，以后单独撰文来介绍。

图12 广义相对论质量引起时空弯曲示意图

惯性这样一个最基础的物理概念，不仅关系着简单的物质运动，更关系着宇宙的结构，物理定律约束着宇宙的状态。本文关于【惯性】的概念我们就介绍到这里了，希望本文能够帮助您深刻地理解【惯性】。下一篇中我们利用本文的惯性质量与引力质量相等介绍等效原理，进一步去理解引力的本质，并尝试解读时空弯曲。

我是老郭，一个普通的科学爱好者，物理系的毕业生，持续为您提供高质量的科普文章。