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论牛顿三大定律之本
论牛顿三大定律之本
王达水
摘要：
惯性定律、加速度定律、作用反作用定律，是牛顿力学的三大著名定律，是经典力学的基石。
然而，三大定律是彼此独立的，甚至是互不联系的。
同时，牛顿在对三大定律及规律的理解与揭示上，存在明显的认识局限。
其中惯性定律没有考虑物体的能量特性，第二和第三定律均没有考虑力的时间积累特性。
当牛顿三大定律走出各自的认识盲区之后，三者将统一为动量守恒定律。
关键词：
惯性、力、时间、质量、加速度、速度、功、能量
引言
牛顿是经典力学的奠基人，是人类科技史上闪耀光芒的巨星。
他的理论成果极大地推动了物理学以及人类科技与文明的发展进步。
三百多年来，尽管牛顿的三大力学定律在基础物理与科技实践中起着绝对的主导作用，但是，在当今人类科技文明已经相当发达的21世纪初期，现代人在继续享受牛顿经典力学给人类带来的科技与文明成果的同时，特别是继续运用牛顿三大定律之理论来指导科技实践的同时，我们其实也很有必要进一步追寻三大定律所包含的物理规律之深刻的本质意义。
况且，三大定律深刻的本质意义是牛顿没有破解的，应该说也是牛顿极力希望后来者早日完成的课题，特别是如何把三大定律统一为一个定律并揭示其规律的本质特性，是牛顿和现代人都渴望的。
为此，笔者从能量的本质要因出发，对三大定律之统一进行充分论证。
1、惯性定律的本质是动量守恒
惯性定律是牛顿力学三大定律的第一定律，是在伽利略惯性思想的基础之上，是在肯定宇宙中存在绝对静止的以太，并把以太作为绝对理想的参考系的前提下产生的，所表述的是"物体在不受外力作用的条件下，将保持原来的匀速直线运动状态，或者是原来的静止状态。
"
1.1 伽利略惯性思想
伽利略（ Galilro Galilre 1564-1642 ）第一次提出了"惯性"的概念，得出这样的结论：
"一个运动的物体，假如有了某种速度以后，只要没有增加或减少速度的外部原因，便会始终保持这种速度，这个条件只有在水平的平面上才有可能。
因为，在斜面的情况下，朝下的斜面提供了加速的起因，而朝上的斜面提供了减速的起因；由此可见，只有在水平面上运动才是不变的"（《两门新科学的对话》第三天，问题9，假设23注，1632年出版 ）。
这样，伽利略便第一次把外力和"引起加速或减速的外部原因"与运动的改变联系起来。
与匀加速运动实验结合在一起，伽利略提出了惯性和加速运动这个全新的概念，以及在重力作用下物体作匀加速运动的全新的运动规律，为牛顿力学理论体系的建立奠定了基础。
[1]
显然，伽利略充分肯定了惯性的四大特征：
一是对于地表上的运动物体而言，大地是一个静止的参照体系。
二是地球重力对水平面上物体运动速度的综合作用为零，即直接的效果上表现为不受外力作用是物体惯性的必备条件。
三是他虽然并未肯定地球引力场的重力作用机制（加速度）是惯性的必备条件，但是他实际上肯定了地表上的物体必然有重量，或者是必受重力作用。
四是肯定了物体具有一定速度，静止是速度为零的特例。
1.2 牛顿惯性思想
牛顿的惯性定律，是在伽利略惯性思想的基础上，把惯性的原理推广于整个宇宙空间。
其中，肯定了惯性系要么是直线匀速运动，要么是静止的（针对以太参照系而言）。
同时，牛顿没有肯定或否定惯性系必然具有引力的特征，但绝不包括转动的特征；他也不曾明确地表明地球是一个惯性系统，但却继承了伽利略的惯性思想。
可是，人们自始至终往往都把地球系统理解为一个惯性系统，爱因斯坦以及他的狭义相对论的"相对性原理"之假设前提，就是这样的最典型的代表。
牛顿惯性定律首先肯定了一个研究对象：
是任何一个天体或物体；其次肯定了这个研究对象的参照系，是存在于宇宙中的绝对静止的以太；三是肯定了这个研究对象相对于参照系的运动特性，是匀速直线运动或静止状态，从而进一步明确地肯定了惯性系并不等同于是参照系。
其中，惯性是针对参照系的比较结果，物体的匀速直线运动或静止，可以是别的其它物体作为判定其运动状态的参照系。
1.3牛顿惯性思想的三大特征
牛顿第一定律在揭示惯性规律之际，实际上揭示了三大物理特性。
一是肯定了整个宇宙中充满着一种称之为以太的物质，并且以太是绝对静止不动的，一切天体、物体的运动，皆可把"以太"视为参照系。
二是肯定了惯性物体之速度和方向以及直线轨迹的特征。
三是肯定了物体的质量速度之共同体特性，即mv的动量特性。
其中，静止只是速度 v 对于以太而言，其速度为零的特殊情况。
可见，惯性的本质特性归纳起来，就是物体或者是天体对于静止的以太参照系的动量（mv）保持不变的守恒特性，或者称之为运动的规律。
物体保持惯性的特征，实际上是物体在不受外力作用下，保持原来的动量运动特征的性质。
2、地球不是惯性系
2.1即使我们把地球视为一个质点的话，但是，这个质点就仅仅在太阳系内的运动轨迹而言，显然不是直线，而是近似于圆的椭圆形轨迹，因此不符合牛顿惯性定律所述的做直线运动的基本条件。
显然，即使地球不受外力作用，但是作为质点的地球肯定不作惯性运动，也不保持惯性的特性。
所以，站在太空的角度，地球肯定不是一个惯性系统。
2.2如果不把地球视为一个质点，那么，地球这个球形天体在太阳系的运动，同时具有公转和自转两个基本特性。
对于地表上任意一点而言，其在太阳系中的运动，是地球公转与自转的复合式运动，从而体现为在圆形公转轨道上的正弦波运动轨迹。
因此，地表上任意一地相对于太阳而言，不是直线运动。
进一步地，在太阳系内，地表上任意一点及整个地球及地表，都不是静止的，也不做匀速直线运动，因而，仅仅站在太阳系的角度，地球就不是惯性系。
进一步地，站在宇宙中以太的角度，那么，地球更不是一个惯性系统。
2.3由于地球不是一个惯性系统，因此，地球上的一切物理定律、定理肯定不是在地球惯性系上总结的，而是在地球的其它自然特性条件下总结的。
地球上最大的自然条件，或者说是能量条件，是地球的引力场特性，它吸引一切物体于地表。
所以，引力场才是一切物理定律、定理的最主要和最基本的客观条件。
2.4我们整个人类，在地球的表面生生息息，站在地表上，大地是静止的。
我们在地表上感知的一切运动规律，皆是以静止的地表为参照系统。
然而，就地球这个参照系而言，并不等于说地球是惯性系。
惯性系，是指它以别人（以太）为参照系的比较结果，当它自己成为别的其它物体的参照系统时，并不等于说它就是那个物体的惯性系。
惯性系的必然条件，是它相对于另一个系统，特别是一个更大的系统而表现为匀速直线运动或静止的状态。
判定地表或地球是否是惯性系统，显然必须站在太空的角度。
因此，静止的地表，只能作为地表上一切运动物体的静止的参照对象，不能视为它们的惯性对象。
关于这一点，经典力学是模糊的、混乱的，以至产生了那么多的认识偏差，甚至为狭义相对论的相对性原理留下了可以钻空子的遗憾。
显然，判定一个物体（天体）是否是一个惯性系统，是指这个物体对一个确定的参照系而言，是否保持匀速直线运动或静止。
判定一个物体（天体）是否是一个参照系，是指它对别的物体而言的运动参照。
可见，参照系与惯性系，是两种不同的比较特性，尽管可以针对同一个系统或物体。
可见，惯性系并不等于是参照系之意。
反之，参照系也不意味着就是惯性系。
对此，理论物理需要彻底明确这个概念以及其中的本质区别。
对于参照系与惯性系的彼此关系和区别，也需要彻底地明确。
特别是"天、地、物、人"四者之间的运动关系究竟如何，我们必须系统地进行分析研究。
假定以太为 A，假定地球为 B，假定地上的物体为 C，假定以占在太空的角度进行观测分析物体运动规律的人为 D 。
那么，A、B、C、D 四者之间的关系和规律表现为：
第一，观测者（人）D，是天地物（A、B、C）所组成的系统之外的研究者，不参与研究系统的运动，仅仅以思维方式研究ABC系统的运动特性。
第二，以太A 是绝对的参照系，无论是对于地球B，还是对于地球上的一切运动与不运动的物体 C 而言。
第三，地球B对以太A 而言，A是参照系，B是运动物体（系统）。
B是运动物体对于参照系A的运动，如果保持匀速直线运动或静止的话，则具有惯性运动的特性，否则，将不是惯性运动，更不是惯性系统的运动。
显然，地球B对于以太A不是作匀速直线运动，也不是静止，所以地球不是惯性系统。
第四，物体C 对地球B 而言，地球B 是参照系，物体C自己是运动的物体。
即使C相对地球B是静止不动的，它也不能把此时的地球B视为是惯性系。
把参照系间接或直接地等同是惯性系，是经典物理存在的"经典型"认识错误，因为这种思维方式已经片面地认为静止的地表参照系必然是惯性系。
另一方面，当物体C不受外力作用，并对于地表B保持静止或匀速直线运动的话，那么，C对B是惯性的。
对地表B而言，也可以说此时的物体C 是一个惯性物体或者说是惯性系统。
第五，无论地球B对于以太A而言，还是物体C对于地球B而言，地球B都不是惯性系。
也即，B对A而言，B是运动体，A是参照系；C对B而言，C是运动体，B是参照系。
我们不难进一步地看到，地球上的一切物理定理、定律，显然都不是在地球惯性系上总结的，而是在地球参照系条件下总结出来的，特别是在地球具有引力特性的这个参照系中总结出来的。
2.5惯性力的本质是动量
由于惯性的定义是匀速直线运动或静止，不受外力作用，因此，惯性定律已经肯定了不存在惯性加速度的规律与特性，进而也就不应该存在惯性力（因为F=ma，而a=0，所以，F=ma=0），仅仅只能存在惯性动量（mv，当v=0时，则为静止状态）的能量特性。
然而，如果以力的做功本质是力的时间积累的过程及特性的观点来从新认识与审视力的能量转换过程的话，那么，惯性力（一种能量状态，Ft=mat=mv ）的能量本质是动量。
可见，牛顿的惯性力的思路，实际上来自于物体的动量之能量状态的储备与转化过程，而力的路程积累（Fs=mas=mvv/2）效应，仅仅是人们的一种物理思维方式，是对运动的表象或过程的主观认识，并未揭示运动的本质，因此“力的路程积累效应”不是能量。
2.6惯性质量的本质是重量
质量是物理学的一个基本概念。
牛顿最初把质量定义为物体所含物质的数量，他在《自然哲学的数学原理》一书中用如下的语言定义质量：
“物质的数量（质量）是一个同物质密度和体积成比例的量度。
”这个定义曾经遭到许多人的反对，认为定义中包含了循环论证法（密度等于质量对体积的比），进而没有正确描述一切物体的共性，只是在比较同类物质时，具有一定意义。
[1]
引力是每一个物体吸引其它物体或被其它物体吸引的作用；惯性是指物体对任何改变其运动状态的外来作用的阻抗的性质。
牛顿在万有引力定律中引入了引力质量以显示物体产生和接受引力的强弱；又在第二定律中引入惯性质量m=Fa以显示惯性的大小，式中F是作用在物体上的外力的大小，a是物体的加速度的大小。
实验表明，引力质量和惯性质量同时存在，并且总是成比例。
牛顿早已指出，惯性质量和引力质量成比例这一性质准确到10**（-3）。
19世纪B.von以10**（-9）的实验精度（ 20世纪70年代初，V.布拉金斯等人又把实验精度提高到9*10**（-13） ）证明了，对于可以在实验室里测试的物体，其惯性质量和引力质量相等。
[1]
可见，牛顿定义的物体的惯性质量与引力质量基本上可以说是等价的。
然而，当我们已经清醒地认识到地球不是一个惯性系统之际，显然，惯性质量的认识与定义则是错误的。
由于地球不是惯性系统，所以，惯性质量则必然因此而不存在。
牛顿惯性质量的真正本质，应该是物体在地球引力的重力作用下的重量特性及规律。
另一方面，地球的引力场对其上一切物体的引力作用是存在的，并且与物体所含物质的多少成正比，与物体距离地表的高度成反比。
引力质量的外在表现特性，实际上是重力的特性，是力的特性。
物理学始终认为，天平测量的是物体的质量。
而实际上，天平测量的并不是物体的质量，因为天平的测量原理和计量过程，是法码的重力与天平的力臂构成的力矩，等于物体的重力与天平力臂构成的力矩，所以，也是利用力（重力）的作用原理来体现与测量。
天平测量重量的一个显著特性在于无论在地球上的什么地方，其计量的精度保持不变。
可是，当在太空中失去重力的情况下（引力作用为零），天平不能工作。
可见，天平实际上显然是利用重力原理而工作的，因此不能测量物体的质量，只能测量出物体的重量。
进一步地，由于如经典力学所说的，用天平测量出来的质量特性在事实上并不存在，而实际上是物体的重量，因此，引力质量的说法也是站不住脚的，是不存在的。
因此，引力质量的本质也只能是物体受引力吸引所产生的重量。
3、加速度定律的本质是动量守恒
加速度是牛顿第二定律的核心，是对力的作用效果的揭示，又称之为加速度定律（F=ma）。
物理意义是指一个大小恒定的外力F，对某一质量为m的物体作用时，必然产生一个恒定的加速度 a（单位时间内速度的变化量）。
牛顿第二定律的一个重要缺陷在于仅仅考虑了外力、物体质量、对物体产生的加速度三个方面。
特别是限定在恒力对物体的作用规律方面，如重力作用。
可是，他忽略了力的时间作用特性（时间积累特性）。
然而事实上，无论是什么力，无论力的大小如何，如果没有力的作用时间或者说是作用的持续性的话，那么，这个力则是无法进行作用的，或者说是无法施展的，进而无法做功，更不可能对物体产生位移的功效以及加速度。
当力的大小一但确定，物体的质量一旦确定，作用的时间一旦确定之后，那么，这个力才可以对物体产生确定的作用，从而获得确定的加速度、速度、最终落脚于终结速度，写成公式则有：
∵ F=ma
∴ Ft=mat=mv
也即，终结速度与力的大小、作用时间成正比，与被作用物体的质量成反比。
当a=0时，则 Ft = klt （变形弹力作用） ，或 Ft = F't（阻力作用）。
可见，加速度仅仅是表象，尽管速度不断变化，但是，时时刻刻的速度的才是本质。
可见，牛顿第二定律的深刻本质揭示的是：
力的时效性提高了物体的速度，进而提高了物体的动量；加速度是能量的转换效应、或转换的规律性；质量、速度之共同体，才是能量的本质。
可见，如果没有力的时间积累效应，一个力是不可能对物体产生加速度，进而产生速度的不断提高（变化）之动态结果。
进一步地不难发现，力的时间积累过程的结果，是以对客体的动量的增加（改变）而实现能量的转移与能量在客体上的储备。
从力的施力主体和被作用的客体所组成的系统而言，能量做功（释放能量）前后，其整个系统的动量是守恒的：
Ft+mv0 = mat+mv0 = m△v+mv0 = m（△v+v0） = mv
其中，v0 是 m 的初速度；
△v 是力 F 作用时间 t 后，产生加速度所至的速度增量；
v 是 v0 与 △v 的矢量合速度，是作用后的最终速度。
当物体的初速度为零时（v0=0），则有：
Ft+mv0=m△v
所以，牛顿第二定律的本质，是施力体所施之力的时间积累效应；对受力体而言，则是动量的增加（变化）。
我们从这一本质认识出发，不难发现其与惯性定律的本质相一致与统一的特性。
4、作用力与反作用力的本质是动量守恒
牛顿第三定律对作用力与反作用力的作用关系的描述是：
作用力与反作用力大小相等方向相反。
比如，地表上一切物体的受力情况，其特点是地心的向下引力正好等于地表对它的向上支持力。
引力与支持力大小相等，方向相反。
这时的引力与支持力是静态力，是这两个作用体之间的内力，是作用力与反作用力的平衡状态，具有同时性的特性。
然而，当一个力作用于一个物体并使之产生加速度之动态变化时，显然，受力体也必然要给施力体一个反作用力。
同时，施力体无论其力的大小如何，无论作用点、作用方向如何，但是必然少不了作用的时间，因为如果没有作用时间的话，则必然产生不了作用力的时间积累效果必然等于反作用力的时间积累之实际效果。
把作用力与反作用力的实效关系写成公式则是：
Ft = F't
即，Ft - F't = 0 ， t = t ， F = F'
对于动态的作用而言，施力体对受力体的Ft能量作用，必然表现为受力体对施力体的F't反作用。
比如，载人航天飞船升空过程中，火箭推动人体的作用力与人体对火箭的压力，这样的一对作用力与反作用力。
对于地表上静止不动的物体而言，重力产生的向下加速度及速度变化正好等于地表支承力产生的向上的加速度及速度的变化，进而相互平衡，不上不下，静止地承载于地表。
无论动态与静态作用，作用力与反作用力总是大小相等方向相反，同时产生、同时消除。
所以，第三定律需要修正为：
作用力与反作用力是两个相互作用的物体间的内力，大小相等、方向相反、作用点对应、作用时间相等，可以存在于静态的过程中，也可以存在于动态的过程中。
当静止的受力体能够顶住施力体的作用时，则将继续保持原来的静止状态，但要产生一定变形，是物体形状的刚性的变形或者是微观分子结构的变形。
当受力体原来就是运动状态时，那么，施力体的作用，则必然改变受力体原来的速度，在受力时间结束时，从新达到一个新的平衡状态，正如动量守恒定律所揭示的一样。
作用力对受力体的动量变化：
Ft = m2v2' - m2v1' = m2（v2'-v1'） = m2△v'
反作用力对施力主体的动量变化：
F't=m1v2 - m1v1 = m1（v2-v1） = m1△v
其中：
m1：
施力体的质量
v1：
施力前的速度
v2 ：
施力后的速度
m2：
受力体的质量
v1'：
受力前的速度
v2 '：
受力后的速度
△v：
施力主体作用前后的速度差
△v' ：
受力客体被作用前后的速度差
因为：
Ft - F't = 0
所以：
m1△v - m2△v' = 0
所以，牛顿第三定律的本质也是物体的动量（mv）及其守恒的规律。
5、牛顿的惯性定律与惯性力的矛盾
惯性质量和引力质量，是牛顿在《自然哲学的数学原理》中引入的。
惯性质量的真正含义是物体在相互作用时，反映物体的运动状态及其改变的难易程度的一个物理量。
引力质量，是揭示物体受引力场作用之大小程度的一个物理量。
在经典力学中，惯性质量与引力质量具有相对的意义。
同时，凡是关于力都必然涉及到质量。
牛顿的惯性定律与惯性力的矛盾表现在下述六个方面。
5.1 首先，惯性指的是物体在不受外力作用下保持原来的匀速直线运动或静止的状态。
按照经典力学的观念，惯性力无论如何也应该是力的一种形式、一种情况。
然而，经典力学又始终认为：
力是物体间的相互作用，其作用的效果是产生加速度及位移或者是变形。
显然，不受外力作用，且无加速度特征的惯性力情况，无论是别人对它，还是它对别人，都不产生力的作用及效果。
如果要强行定义惯性力，则必然与惯性的定义前提矛盾。
因此，由于惯性力不产生加速度，因此，惯性力在事实上不是力。
显然，经典力学的惯性力理论纯属谬误。
5.2另一方面，在经典力学的惯性力理论中，其实，并未表明谁是惯性力的施力体，谁是惯性力的受力体。
其模糊的理论中，给人的感觉是：
惯性体（体系）本身是施力体，又是受力体，但自己又不产生加速度。
进一步地，是在把地球作为一个惯性体，把地球的引力场对地球上万物的作用误以为是惯性的作用。
也即，把地球误以为是一个惯性系，进一步地，随之把地球的引力场特性误以为或者是等同为惯性力的特性。
5.3再一方面，事实上，惯性体是一个有一定速度之动量（mv）特征的能量体系。
当它与别的物体发生撞击时，则必然表现出能量的转换特性，以及自身速度的变化（产生加速度、瞬间），进而表现为力的特性。
显然，这只能是动量产生的作用力，不是经典力学所说的那种惯性力。
由于地球不是一个惯性系，同时，事实上自然界也不存在惯性力，因此，惯性力的说法（理论）是站不住脚的，是不正确的。
5.4第四方面，关于惯性质量，其经典力学原来的意思是指地球上的物体保持惯性特征的质量。
但是，经典力学理论并未表明地球上的物体，是对以太还是对地表而言所表现出的惯性质量。
当对以太而言，由于地球不是一个惯性系统，地球上的万物都不存在保持匀速直线运动或静止的特征。
因此，针对以太参照系而言，地球上的万物与地球一样都不是惯性体，因而物体不存在惯性质量之特性。
5.5第五方面，物理学似乎从来就没有对质量进行准确的定义，特别是与重力（重量）的物理量纲单位的异同和区别。
5.6第六方面，引力质量的本质又是怎么回事呢？
既然惯性质量是一个错误的观念，那么，引力质量呢？
实际上，引力质量同惯性质量一样，牛顿在引入这两个概念之际，就没有予以彻底地准确定义。
事实上，质量的天平测量原理，本质上是重力作用的结果。
因此，惯性质量与引力质量都是牛顿在力学理论上的不同说法，其真正的本质是引力对物体产生的重量。
可见，牛顿的惯性力、惯性质量的理论显然是片面的、是错误的、是不存在的，需要在理论物理中予以及时更正与发展。
牛顿定义的惯性力、惯性质量，其真正的本质是引力对物体产生的重量。
6、结语
牛顿第一定律是独往独来的能量体，是第三者可以直接观测的。
牛顿第二定律所描述的力必然产生加速度的规律，实质上是能量在两个物体间的转移过程及其产生的效果，以被作用客体的速度的增加而提高动能，是能够直接观察与测量的实际效果。
牛顿第三定律，所描写的作用力与反作用力是力的内部作用机制，可以分析、可理解、可测量，但不可直接观察到。
作用力与反作用力具作用的同时性特征，具力的时间积累特性，是能量的转移特性之本质，不仅表现于宏观的一体化加速的两个物体内部，也表现于他们微观的内部变形上。
显然，牛顿三大力学定律的本质是动量及动量守恒规律，归纳为数学公式的描述则是：
第一律：
E = mv
当v=0时，则E=0，相对于参照系而静止。
当v>0时，则物体对于参照系保持匀速直线运动。
第二律：
由于 F=ma，而实际上没有作用时间的力不能成之为一个实际的力及力量（能量），
所以， Ft = mat = mv = E
第三律：
因为 Ft = F' t = mv ，当 v = 0 时，则表现为两物体彼此间在静止状态时的内部作用力与反作用力。
当 v > 0 时，则表现为两物体彼此间在运动状态的内部作用力与反作用力。
可见，牛二律是对参照系而言的运动规律，它们的一个显著特点是：
有一个施力体和一个受力体、一个参照系，对于观察者而言，这是由三个研究对象组成的系统，观察者是位于这个系统之外的第四者。
牛一律的特点在于仅仅有一个主体，一个参照系，观察者是局外人士。
所以，牛一律是牛二律的施力体未出现时的特殊情况。
或者说第一定律是第二定律当外力为零的特殊情况；同时，牛一律也是第三定律当外力为零时，反作用力自然为零的特殊情况。
牛三律之力的特点，在于揭示的是内力的作用规律，是牛一律和牛二律的内部作用机制。
总之，当牛顿的三大作用定律在考虑了力的时间积累效应之后，显而易见，力及能量的本质特性就是力的时间积累的效果，就是质量与速度的动量特性之统一体。
因此，牛顿的力学三大定律统一于动量及动量守恒定律。
此论不仅是对牛顿三大定律的补充、发展、统一与超越，更是对力及能量规律的本质性深刻认识、理解、揭示，是理论力学的一个崭新的里程碑！
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