经典力学中的“力”

    二、经典力学中的“力”

    伽利略对经典力学的建立有着重要的贡献，但对力的概念的形成则并不完备，他对质量的定义是模糊的，所以，他并不能给出力的清晰的定义，使这种定义既能用于静力学，又能用于动力学。当然，他对惯性原理是理解的，他的惯性原理指出，物体在不受外力作用的条件下，将能连续地进行常速运动。他把力和速度的变化联系在一起，破除了亚里士多德把力和速度联系在一起的长期的思想束缚，开辟了牛顿把力和速度联系在一起的道路。

    开普勒和伽利略一样，对牛顿建立力的概念起了极为重要的作用。开普勒根据第谷长期的星象观测资料和对这些观测的反复研究，终于在1605年认识到行星轨道运动是因行星受到了吸力而造成的，但对吸力的性质并不清楚。这种吸力是通过空间从吸引中心（太阳）到达行星的，其大小和距离的二次方成反比。他对这些力是怎样“漫过”空间的不很清楚，但他认为这是一种数学上的需要。开普勒对这种远距作用的引力的看法，在以后物理学的万有引力、电磁力和核力的理论中，经常被采用，已成为范例。

    力的概念在经典力学中占有最根本的重要位置，牛顿在1664年就提出了力的定义是动量的时间变率（动量等于质量乘速度）。牛顿第一定律即惯性定律是力的定性的定义，它规定力在什么条件下存在和在什么条件下它的作用不存在。牛顿第二定律给出了力的定量的定义，即力等于动量的时间变率，当质量不变时，力等于质量乘以加速度。牛顿第二定律既可以被看做是质量的定义，也可以被看做是力的定义。前者把力看做是基本量，而质量看做是第二定律的导出量；后者则反之。牛顿第三定律指出，对于每一个力而言，必有一大小相等、方向相反的反作用力存在。它指出所有力都是成对的，只有当两个物体在相互作用下才能实现。这两个力分别作用在不同的物体上。

    牛顿的万有引力理论的惊人成就，是使超距作用的力的概念推广到物理学的其他分支去了。但是，牛顿并不能从物理上说清楚这种超距作用的概念，从而长期受到各方面的严厉批评。在历史上，有许多科学家和哲学家曾指出，牛顿力学中的力的概念只是一种方法论性质的工具，或是一种形而上学的东西。G.R.基尔霍夫、H.R.赫兹和E.马赫都认为很难说明力的概念的实质，但都肯定力是一种计算用的量，代表质量和加速度的积。当然，自从牛顿以后，力的概念对科学的进展贡献很大，没有力的概念，物理学就立刻失掉了理论的连贯一致性。19世纪，麦克斯韦总结了前人对电磁现象的研究，以场的概念为基础，建立了经典电动力学的基本方程，预言了电磁波的存在，促使人们怀疑超距作用力的概念。

    在物理世界中，物体的速度v被限制在一定的区间内：0≤v＜c（c为真空中的光速），要知道物体在这个区间的运动规律，就必须应用相对论。力的定义依旧可采用力等于动量对时间的变化率，不过质量是随速率而变的，但此时所产生的加速度在一般情况下数值上不和力成正比，方向也并不和力的方向一致^[2]。