第727节 (第2/2页)

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对象在外因作用下，发生某些状态变化。对象体现自身存在的标准，就要体现抵抗外因的能力。那么定义对象的标准，就必须能衡量在外因作用下，对象保持原状态的能力大小。换而言之，与原状态相似程度大小。总之是衡量对象维持原状态的能力。现在我们把这个标准，称为惯性。

我们看到，惯性定义是泛定义，并没有具体到某个特定对象。而惯性是和外因一同出现的，不存在没有外因对应的惯性。这样就建立外因与惯性的固定结合，这种结合可以称为模式。只要在使用前作出说明，你也可以命名结合为任意想到的名字。实际中，我们总是直接定义好惯性，其中蕴含着对应的外因。

对象是某物体，外因是力，此时惯性是反映对力的抵抗能力，这就是通常狭义的惯性定义。对象是物体的温度，外因是热量，惯性就是反映温度对热量抵抗能力，命名为热惯性。对象是人的思维，外因是其他人的不同看法或思维方式，惯性就是人对不同看法的不接受程度，命名为固执。外因是不熟悉的情况，惯性是依然按照熟悉情况对待，命名为创造力缺乏。对象是人身体的健康，外因是疾病或不良状态，惯性就是身体对疾病的抵抗能力，命名为抵抗力。

对于力为外因对应的惯性，使用质量衡量其大小，用英文字母m表示，单位是千克（公斤），用英文kg表示。现在我们谈论某物体的惯性，就可以用此物体的质量是多少来表述。这里是首次使用质量，前面对物体的描述中，使用重量描述！重量是地球对物体的引力大小，不是惯性的大小。当物体离地球很远时，引力就很小了。但是惯性不变！质量是物体内在属性，重量是物体在地球特定环境下受的力。在我们日常生活环境中，重量和质量在数值上有固定关系，以至于经常使用质量的单位来描述重量。比如买了2公斤（4斤）苹果，或者使用重量来代替质量。在前面我们引入密度时，使用的就是重量来代替质量。密度是一定体积内的质量，而不是重量。事实上我们在描述大小时，所有的重量都采用质量单位来描述。我们重新描述密度：

密度（希腊字母p，发音）=质量（m）/体积（v）

所有物质中密度最大的是金属锇（带臭味的金属），22.4克/立方厘米

当物体的惯性概念引入后，所有涉及物体的概念就可以描述完备了。前面提出热量的单位：卡，1卡是1克水升高1摄氏度所需的热量。与密度概念类似，可引入热密度概念，称为比热。热量与质量及温度都相关，描述如下：

比热（c）=热量（j）/[质量（m）温度（c）]

水的比热就是1卡/（克c），是所有物质中最大的。

在涉及人的思维世界时，就很难用这样精确的数值来描述。我们无法用什么公式或数值精确描述固执、创造力、抵抗力。当然可以给出一些评估数值，但这些与物理世界无关。

力的基本单位是牛顿（n），以英国人牛顿的名字命名，因为他最早精确描述了力及其规律。使用熟悉的重量和质量对应来描述力的大小更易直观感知。在地球表面，1kg的物体重量是9.8n。粗略计算时，可当10n来对待。在讨论杠杆原理时，曾给出了1000斤力气这样描述。这对应的就是500kg，或5000n。

牛顿最著名的推理就是万有引力定理。宇宙万物相互之间都有引力，仅仅是大小和方向不同。在地球这个局部环境下，就是重力。

思考：

1.日常生活中重量使用质量的单位来描述，会带来一些混乱。比如有人问1kg铁和1kg棉花，那个重？当1kg是对应重量，是描述力的时候，那么自然完全相等。如果1kg是对应质量时，那么重量大小会涉及很多因素。如果铁和棉花都在同一位置称重，按理重量完全相同。但体积不同，收到空气浮力不同，造成测量的重量不同。同时称重的手段不同结果也不一样。使用杠杆原理的秤，其实是质量比较（因为区域非常小，可以认为地球对物体的作用效果不变），并不是测量力的工具。如果使用类似弹簧秤的工具，测量力本身大小的话，在地球不同同一位置称重，结果完全不同。而原问题中根本没有提及是否在同一位置测量，采用何种测量方式。那么条件缺乏，需要我们自己填补空白。这种方式不是严格的物理推理方式。这个最终这个比较结果无法确定。当问题的提问形式变化时，变成，我们可能又认为是比较质量大小。问题的自然语言中描述有很多含糊的地方，因此要用物理概念精确给出，避免含糊的提问。在学习自然规律时，原因和结果之间经常出人意料。直接给出结果（比如重量值），经常是理想中的原理分析。给出原因求（测量）结果（给出质量求重量），有大量细微的因素影响结果。如果仅仅是粗略地进行，只为了解原理的话，可以忽略这些。但精确进行测量分析时，所有的影响因素都必须考虑在内，如果这些因素对原理造成干扰的话，要设法消除这些干扰因素。这就是从理论到实验的思维转变。事实上大量的原理都是依赖测量完成的，因为科学本身就是不断分析、验证、修正分析、验证这样的过程。

2.同一概念，可以有多种定义，区别在于看待的视角不同。我们可以定义质量是物体所含物质的多少。这个是静态的定义，着眼于物体自身。质量是物体的惯性大小，这个是动态的定义，没有外因无法体现惯性存在。外因可大可小，但无法改变质量大小。所以质量还是物体的内在属性，但外因必须出现，只是不必在意形式。同样是惯性，德国人马赫和牛顿的观点完全不同。马赫认为：惯性源于物体与整个宇宙物质间相互作用的结果，称为马赫原理。牛顿认识：惯性是物体自身与一个超然在外的绝对存在相联系的属性。这个绝对存在称为绝对空间。掌握基础知识后改变视角，可以更清晰地看待规律的发展。形而上者谓之道，大约是这个意思吧。

3.伽利略比牛顿更早研究过力，但没有成为一个完整体系。拉格朗日和哈密顿给出了力的另外一个体系，称之为分析力学，但比牛顿晚。所以力的原理以牛顿的名字命名。分析力学的视角比牛顿力学视角更开阔，很容易扩展到统计力学、量子力学。而牛顿力学无法这样扩展。

4.通常我们更容易察觉局部密度上的差别。但惯性是以质量为衡量。万有引力总是存在的，从这个意义上讲，马赫原理更接近直觉。能产生这样的感觉吗？

力作用于物体，产生状态变化。那么首先讨论没有力作用时物体的状态。观察我们周围，物体通常是静止的，比如说面前的桌子。那么此时桌子有没有受力？按照万有引力原理，地球肯定对桌子有吸引力。但桌子腿下的地面支撑力抵消了吸引力，所以此时的物体总的受力为0。但是地球围绕着太阳转，同时还自转。假如我们站在太阳上观察，桌子是绕着太阳转的。造成静止与运动两种结果的原因是观察点不同：当以地球为基准时，桌子运动与否是观察桌子和地球之间的位置关系。此刻地球对桌子的引力被地球的某块地面抵消了，地球整体对桌子没有作用力。因此桌子相对地球静止。此时的太阳引力作用于地球全部，包括桌子。可以观察到太阳引力作用的效果，就是太阳绕着地球转。也就是说，讨论状态，确定静止、运动，前提是先确定观察基准，这个基准称为惯性系。

通常社会要求大家做正确的、好的、合理的、光明的事。什么是伟大的、正确的、光荣的？先要说明标准，才能用标准衡量。社会和人是否有唯一正确的、合理的标准，不得而知。不过物理世界中这个简单多了，基准，也就是惯性系，可以有任意多个。最常使用的就是以地球为惯性系，其次是太阳为惯性系，最好的是采用宇宙中一些恒星的平均位置为惯性系。事实上马赫原理就是指以宇宙所有的物质平均下来的惯性系。

在某个惯性系下，物体保持静止，或匀速直线运动。都被认为是无变化状态。区别仅是速度为0或其他值而已。速度初始是任意值，在力的持续作用下，状态改变意味着速度持续变化。假设速度变为2m/s并一直保持下去，只能说状态曾经改变（有力作用过）（相对观察基准），但又保持不变（力消失了）。速度的变化命名为加速度，我们经常感受到加速度的存在。飞机起飞、汽车急刹车，身体都能感受到什么是力。

我们称宇宙中某部分的存在为物体。力是改变物体状态的外因，而力的来源却是另外一个物体！是否存在特殊物体对象，只对其他物体产生力，而自身不受任何力？在马赫的宇宙中是不存在这样的物体。事实上所有的物体都是既作用于其他物体，也受其他物体同等程度的作用。换而言之，力是无法脱离源和目标对象独立存在的。那么力只是物体相互之间作用的称呼。

思考：

1.如果把牛顿的绝对空间认为是马赫原理所指宇宙平均意义下的惯性系。那么表面上两者取得统一。但牛顿的绝对空间中无法对物体产生真实力。而马赫惯性系却是宇宙物质总体，必然对物体产生真实力。绝对空间架构中，对宇宙体系的阐述超出了宇宙自身。而马赫原理中的物体作用都是来自宇宙自身相互作用的综合。牛顿体系是以超自然（宇宙体系外）来解释自然（宇宙），马赫体系是使用自然解释自然。而使用自然解释自然，正是科学的起源。使用超自然来解释自然，正是神学的起源。最后牛顿因第一推动无法解释而研究神学，可能是他哲学思考方式的结果。

2.潮汐，大家都熟悉。我们来看潮汐是如何形成的。在太阳的引力下，地球绕太阳旋转。而地球有一定的大小的。向阳的地球表面和背阴处的地球表面，距离太阳差了地球的直径。那么太阳对这两部分的引力就有差异。事实上地球上某两部分之间到太阳的距离有差异，则太阳的引力就有差异。这个差异并不大，对固体而言，不足以对形状造成可察觉的影响。而海水是流体，引力的差异很容易造成形状差异。如右图所示，向阳处的引力最大，造成海水轻微地凸出海平面（吸向太阳方向），而背阴处的引力则最小，也是轻微地凸出海平面（此刻是远离太阳方向）。因为地球自转，而凸出海面部分始终是朝向太阳方向，以地球为参照来看，凸出部分就在移动，这就是潮汐。月亮也同理产生潮汐。虽然太阳对地球的引力比月亮对地球的引力大180倍。但造成潮汐的原因是引力差！月亮和地球距离太近，以至于同样距离差造成的月球引力差是太阳引力差的两倍！也就是说月亮潮汐比太阳潮汐大。当月亮潮汐和太阳潮汐重合时，潮汐达到了最高峰。海边每天都有月亮两场潮汐，潮汐每天都比昨天有时间延迟，大约是50分钟。为什么？太阳潮汐每天也有两场，太阳潮汐有时延吗？

3.木星非常大，周围大量卫星。伽利略最早发现了4颗卫星。这些卫星由于受潮汐力的影响，永远都是同一面朝向木星。为什么（假设最初这些卫星自转周期和对木星的公转周期不同）？和月亮与地球的关系相同。但月亮同一面朝向地球却不是潮汐力的原因！（目前认为月亮是大碰撞形成的。在地球形成早期，一颗火星大小的天体与地球碰撞，飞出的物质进入环绕地球的轨道，经由吸积形成月球。）地球的一天在缓慢延长，估计一下原因。

4.前面指出，最好的惯性系是马赫原理下的惯性系。那么判断标准是什么？有太阳惯性系为例，地球的不同区域受的引力居然不同，使得地球上物体因和惯性系的位置关系不同而运动！这就说明此惯性系有先天偏差。而地球上，因地球自转，物体在离开赤道向南北极运动时，产生左右的移动偏差！同样说明地球惯性系也有先天偏差。事实上地球惯性系的偏差比太阳惯性系还要大！在马赫惯性系下，地球和太阳，尺寸相比整个惯性系完全可以忽略位置差异，地球或太阳表面不会有任何此惯性系带来的潮汐。也就是说，在此惯性系下，物体状态完全看其受力，与位置差毫无关系。

梅乐芝经理的科普文章（七）

第7节物质的组成

物质是用什么构成的？这个问题可能很早就出现在人们的脑海中。春秋时中国的五行理论，其中有。后来五行成为一种包罗万象的体系，从伦理到中医等等不一而足。古希腊时期，恩培多克勒提出四元素组成万物。后来德谟克利特提出原子论，指出万物是由不可分之物（原子）构成。这是一种构思，缺乏实证。

爱尔兰人波义耳给出了一个可行的定义：元素是一种单纯的物质，不能使用物理或化学方法分解为更简单的物质。后来英国人道尔顿又重新提出了原子论。此时已有大量元素被发现，他认为：元素均由不可再分的微粒组成。这种微粒称为原子。原子在一切化学变化中均保持其不可再分性。这一观点重复了德谟克利特的观点，当然他还提出了一些可验证的推论。部分正确部分错误。不过毕竟是可验证的理论，最终原子理论于二十世纪初广泛接受。

意大利人阿伏伽德罗提出了分子论，认为分子是物质组成的基本单元，而分子是由原子构成。这些原子数量及元素类型决定了分子的性质，最终决定了物质的属性。我们常见的物质存在状态是固态、液态、气态，通常称为固体、液体、气体。这些状态的区别就在于分子之间的关联方式不同。固体：分子保持位置不变，间距很小（与分子大小相比）仅在固定位置附近轻微振动。液体：分子无固定位置，间距相对固体情况要大，但整体还还能保持完整性。气体：分子不仅无固定位置，间距非常大，必须施加外因才能维持（引力或密闭容器）不扩散消失。

无论物体什么状态，其分子都在运动，程度与温度相关。温度越高，运动越快。换而言之，温度就是分子运动平均状况的指标。对于固体而言，当温度越来越高，分子的振动越来越剧烈，维持固体各分子保证自己位置的约束相对越来越弱。某些分子因为振动更剧烈而离开原始位置，则固体开始熔化为液体。液体分子没有固定位置，导致可以流动。但整体还可以保持分子不脱离集团。当温度更高，分子运动更快时，某些液体表面分子速度太快，离开液体表面，脱离了液体整体。当大量液体分子开始离开液体表面，液体开始汽化，成为气体。气体的分子间距太远，相互之间基本没有关联。如果没有约束存在，分子就消失得无影无踪。

前面讨论了液体和气体的压力。在地球表面，比如某块钢板。空气中大量分子快速运动，撞击到钢板。这些撞击的整体效果就是大气压力。同样钢板置于水中，大量水分子撞击效果就是水的压力。可以看到，钢板面积越大，则撞击效果越明显，对应压力就越大。我们通常使用压强来定义压力效果。就是固定受压面积，来测定压力大小。测定的压力就定义为压强。压强=压力/面积。通常的大气压就是指大气压强。

思考：

1.温度是分子运动速度的平均指标。那么就存在某些分子运动速度远大于平均速度，某些分子速度远小于平均速度。冬天天寒地冻，在外面晾衣服，衣服上都结冰。但是晾一段时间，衣服还是可以晾干，就是这个原因。同样情况，液体表面的某些分子也可以脱离表面，成为气态分子。如果将液体保持着密闭环境，将气态分子清除，对液体而言，其状态有什么变化？

2.热量在不同温度的物体之间传递。实质是分子平均运动速度降低，就意味这热量流失。分子平均运动速度升高，就是吸收热量。注意，只是分子平均运动速度，并不涉及分子数量和分子密集程度问题。前面曾经提到，温度有下限，273.15c，而没有上限。原因就是分子运动速度（正常情况下，宏观规模的运动是有方向的。速度就是某方向上的运动快慢程度，速度概念里面包含了方向因素。在分子级别时，讨论的是大量分子的速度大小，不涉及方向）最低为0，就是完全不运动。无法为负。原理上而运动速度可以任意快，也就是温度没有上限。但实际上速度也有上限，最快不超过光速（爱因斯坦相对论要求。2011年9月22日，意大利格兰萨索国家实验室接收730公里以外的从欧洲核子研究组织发射的中微子束的时候，发现中微子比光子提前60.7纳秒到达目的地，意味着有超过光速的情况出现。2011年11月17日重复验证。2012年2月报道，有可能是实验误差导致的情况。也就是说超光速尚未证实存在。）。温度定义，如果以温度下限为基准，定义为0度，这就是热力学温度定义，以英国人开尔文的名字命名，使用k来表示。0k=273.15c，0c=273.15k。如果让1个分子完全静止，这算不算达到0k呢？

3.地球大气离地面85公里至800公里之间称为热层，最高温度可达2000c.那么宇航员所穿的宇航服会不会因为热而损坏？

4.同质量的冰体积居然比水体积大，是否意味着固态情况下分子距离大于液态呢？事实上冰的分子和水的分子形状不同！虽然组成相同，冰中的水分子像张开翅膀的蝴蝶，而液态水分子则是蝴蝶的翅膀稍稍收拢。同时也说明水分子之间的间距与冰中水分子之间间距没多大差距。

5.同体积酒精和同体积水混合，结果体积并没有达到原体积的两倍。表明某种液体的分子间隙过大。而某些液体分子过于稠密，表面看起来不像液体，而像固体。沥青，常用于公路铺设、防水密闭材料、建筑结合剂（注意不是柏油，沥青来自石油，柏油来自煤焦油）。澳大利亚昆士兰大学进行了一项沥青滴漏实验，以表明沥青是液体。用了60年时间滴出8滴。

6.地球内部都是液体，中心是金属液体，外层是岩石液体，就表面薄薄一层固体。就因为地壳内部是液体，所以地球的薄壳相当于漂浮在液体上，可以移动。我们所能观察的地球历史，就是外壳漂移和沉浮的历史。

7.地球表面山的极限。自从印度次大陆撞上欧亚板块后，青藏高原就开始形成，撞击部位形成了喜马拉雅山脉，持续在上升中。那么山脉是否会持续上升，没有终止呢？地壳下面是岩浆液体，当山太高以后，下面承载的岩石受的重力太大就陷入岩浆中，这时山就无法继续升高。估计地球可以承载的山的高度大约20公里。火星有21公里高的山，是太阳系中最高的山。但火星内部已经冷却，无法再让山增高了。同样情况，冰厚度增加到一定程度，压力使得冰熔点降低，出现湖泊。在南极冰层下大约有140多个湖，其中最大的是沃斯托克湖，在冰下4000米。形成时间超过50万年，面积1.57万平方公里。

8.在显微镜下，可以观察水中的灰尘、花粉粒的运动，从侧面可以得知水分子的运动规律，就是没有规律。这一运动称为布朗运动，以英国人布朗命名。

9.液体分子之间有吸引力，维持液体体积不变。造成这种吸引力的因素和原子的类型有密切关系。水内部的分子受到各个方向吸引力，但是表面的水分子只能收到下方的吸引力，造成水分子被拉入水中。最终表面的水分子数量达到最小，无法再被吸入内部。就在水表面就形成一层膜，这次膜具有一定韧性，可以让小动物、昆虫在上面奔跑。这层膜的效果就使用表面张力来等效。

在液体与气体（非液体同一种物质）分界面，大量液体分子进入气体，称为汽化。少量气体分子进入液体，称为溶解。当进入的气体分子数量和重新离开液体的气体分子数量相等时，称为饱和溶解，这时候进入液体的分子数量不再增加。此时一定体积的液体中溶解的气体分子总质量称为溶解度。当液体外气体分子的数量减小时，表现为气压强降低，则液体中的气体分子数量会下降，在一个较低水平重新达到平衡，也就是说，气压降低，则气体溶解度下降。当温度升高时，分子活动加剧，气体分子更容易离开液体，也导致溶解度下降。因为溶解度随气压和温度相关，因此给出溶解度时，就得同时给出当时的压强和温度。

固体和气体，也有类似情况，不过只有少量固体可以吸收大量气体，多数固体吸收的气体微乎其微。而固体也可以溶解到液体中，事实上，我们身体的大量生理活动，都是因溶解才得以发生。液体溶解固体，也同样有溶解度，时常伴随着放热或吸热。液体温度升高时，多数固体的分子更易进入液体，溶解度增加，这个和气体完全相反。

思考：

1.水中生存着大量动物，除了那些哺乳动物可以从空气获得氧气，其他动物都是从水中获取氧气，这些都是从空气溶解进入水中的。1立方米空气含氧气大约320克，1立方米海水含氧气6克12克，北极地区海水中氧气含量几乎是赤道地区的2倍。可以肯定，海洋动物的呼吸效率更高。<script>chapter1();</script>