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對象在外因作用下，發生某些狀態變化。對象體現自身存在的標準，就要體現抵抗外因的能力。那么定義對象的標準，就必須能衡量在外因作用下，對象保持原狀態的能力大小。換而言之，與原狀態相似程度大小。總之是衡量對象維持原狀態的能力。現在我們把這個標準，稱為慣性。

我們看到，慣性定義是泛定義，并沒有具體到某個特定對象。而慣性是和外因一同出現的，不存在沒有外因對應的慣性。這樣就建立外因與慣性的固定結合，這種結合可以稱為模式。只要在使用前作出說明，你也可以命名結合為任意想到的名字。實際中，我們總是直接定義好慣性，其中蘊含著對應的外因。

對象是某物體，外因是力，此時慣性是反映對力的抵抗能力，這就是通常狹義的慣性定義。對象是物體的溫度，外因是熱量，慣性就是反映溫度對熱量抵抗能力，命名為熱慣性。對象是人的思維，外因是其他人的不同看法或思維方式，慣性就是人對不同看法的不接受程度，命名為固執。外因是不熟悉的情況，慣性是依然按照熟悉情況對待，命名為創造力缺乏。對象是人身體的健康，外因是疾病或不良狀態，慣性就是身體對疾病的抵抗能力，命名為抵抗力。

對于力為外因對應的慣性，使用質量衡量其大小，用英文字母m表示，單位是千克（公斤），用英文kg表示。現在我們談論某物體的慣性，就可以用此物體的質量是多少來表述。這里是首次使用質量，前面對物體的描述中，使用重量描述！重量是地球對物體的引力大小，不是慣性的大小。當物體離地球很遠時，引力就很小了。但是慣性不變！質量是物體內在屬性，重量是物體在地球特定環境下受的力。在我們日常生活環境中，重量和質量在數值上有固定關系，以至于經常使用質量的單位來描述重量。比如買了2公斤（4斤）蘋果，或者使用重量來代替質量。在前面我們引入密度時，使用的就是重量來代替質量。密度是一定體積內的質量，而不是重量。事實上我們在描述大小時，所有的重量都采用質量單位來描述。我們重新描述密度：

密度（希臘字母p，發音）=質量（m）/體積（v）

所有物質中密度最大的是金屬鋨（帶臭味的金屬），22.4克/立方厘米

當物體的慣性概念引入后，所有涉及物體的概念就可以描述完備了。前面提出熱量的單位：卡，1卡是1克水升高1攝氏度所需的熱量。與密度概念類似，可引入熱密度概念，稱為比熱。熱量與質量及溫度都相關，描述如下：

比熱（c）=熱量（j）/[質量（m）溫度（c）]

水的比熱就是1卡/（克c），是所有物質中最大的。

在涉及人的思維世界時，就很難用這樣精確的數值來描述。我們無法用什么公式或數值精確描述固執、創造力、抵抗力。當然可以給出一些評估數值，但這些與物理世界無關。

力的基本單位是牛頓（n），以英國人牛頓的名字命名，因為他最早精確描述了力及其規律。使用熟悉的重量和質量對應來描述力的大小更易直觀感知。在地球表面，1kg的物體重量是9.8n。粗略計算時，可當10n來對待。在討論杠桿原理時，曾給出了1000斤力氣這樣描述。這對應的就是500kg，或5000n。

牛頓最著名的推理就是萬有引力定理。宇宙萬物相互之間都有引力，僅僅是大小和方向不同。在地球這個局部環境下，就是重力。

思考：

1.日常生活中重量使用質量的單位來描述，會帶來一些混亂。比如有人問1kg鐵和1kg棉花，那個重？當1kg是對應重量，是描述力的時候，那么自然完全相等。如果1kg是對應質量時，那么重量大小會涉及很多因素。如果鐵和棉花都在同一位置稱重，按理重量完全相同。但體積不同，收到空氣浮力不同，造成測量的重量不同。同時稱重的手段不同結果也不一樣。使用杠桿原理的秤，其實是質量比較（因為區域非常小，可以認為地球對物體的作用效果不變），并不是測量力的工具。如果使用類似彈簧秤的工具，測量力本身大小的話，在地球不同同一位置稱重，結果完全不同。而原問題中根本沒有提及是否在同一位置測量，采用何種測量方式。那么條件缺乏，需要我們自己填補空白。這種方式不是嚴格的物理推理方式。這個最終這個比較結果無法確定。當問題的提問形式變化時，變成，我們可能又認為是比較質量大小。問題的自然語言中描述有很多含糊的地方，因此要用物理概念精確給出，避免含糊的提問。在學習自然規律時，原因和結果之間經常出人意料。直接給出結果（比如重量值），經常是理想中的原理分析。給出原因求（測量）結果（給出質量求重量），有大量細微的因素影響結果。如果僅僅是粗略地進行，只為了解原理的話，可以忽略這些。但精確進行測量分析時，所有的影響因素都必須考慮在內，如果這些因素對原理造成干擾的話，要設法消除這些干擾因素。這就是從理論到實驗的思維轉變。事實上大量的原理都是依賴測量完成的，因為科學本身就是不斷分析、驗證、修正分析、驗證這樣的過程。

2.同一概念，可以有多種定義，區別在于看待的視角不同。我們可以定義質量是物體所含物質的多少。這個是靜態的定義，著眼于物體自身。質量是物體的慣性大小，這個是動態的定義，沒有外因無法體現慣性存在。外因可大可小，但無法改變質量大小。所以質量還是物體的內在屬性，但外因必須出現，只是不必在意形式。同樣是慣性，德國人馬赫和牛頓的觀點完全不同。馬赫認為：慣性源于物體與整個宇宙物質間相互作用的結果，稱為馬赫原理。牛頓認識：慣性是物體自身與一個超然在外的絕對存在相聯系的屬性。這個絕對存在稱為絕對空間。掌握基礎知識后改變視角，可以更清晰地看待規律的發展。形而上者謂之道，大約是這個意思吧。

3.伽利略比牛頓更早研究過力，但沒有成為一個完整體系。拉格朗日和哈密頓給出了力的另外一個體系，稱之為分析力學，但比牛頓晚。所以力的原理以牛頓的名字命名。分析力學的視角比牛頓力學視角更開闊，很容易擴展到統計力學、量子力學。而牛頓力學無法這樣擴展。

4.通常我們更容易察覺局部密度上的差別。但慣性是以質量為衡量。萬有引力總是存在的，從這個意義上講，馬赫原理更接近直覺。能產生這樣的感覺嗎？

力作用于物體，產生狀態變化。那么首先討論沒有力作用時物體的狀態。觀察我們周圍，物體通常是靜止的，比如說面前的桌子。那么此時桌子有沒有受力？按照萬有引力原理，地球肯定對桌子有吸引力。但桌子腿下的地面支撐力抵消了吸引力，所以此時的物體總的受力為0。但是地球圍繞著太陽轉，同時還自轉。假如我們站在太陽上觀察，桌子是繞著太陽轉的。造成靜止與運動兩種結果的原因是觀察點不同：當以地球為基準時，桌子運動與否是觀察桌子和地球之間的位置關系。此刻地球對桌子的引力被地球的某塊地面抵消了，地球整體對桌子沒有作用力。因此桌子相對地球靜止。此時的太陽引力作用于地球全部，包括桌子。可以觀察到太陽引力作用的效果，就是太陽繞著地球轉。也就是說，討論狀態，確定靜止、運動，前提是先確定觀察基準，這個基準稱為慣性系。

通常社會要求大家做正確的、好的、合理的、光明的事。什么是偉大的、正確的、光榮的？先要說明標準，才能用標準衡量。社會和人是否有唯一正確的、合理的標準，不得而知。不過物理世界中這個簡單多了，基準，也就是慣性系，可以有任意多個。最常使用的就是以地球為慣性系，其次是太陽為慣性系，最好的是采用宇宙中一些恒星的平均位置為慣性系。事實上馬赫原理就是指以宇宙所有的物質平均下來的慣性系。

在某個慣性系下，物體保持靜止，或勻速直線運動。都被認為是無變化狀態。區別僅是速度為0或其他值而已。速度初始是任意值，在力的持續作用下，狀態改變意味著速度持續變化。假設速度變為2m/s并一直保持下去，只能說狀態曾經改變（有力作用過）（相對觀察基準），但又保持不變（力消失了）。速度的變化命名為加速度，我們經常感受到加速度的存在。飛機起飛、汽車急剎車，身體都能感受到什么是力。

我們稱宇宙中某部分的存在為物體。力是改變物體狀態的外因，而力的來源卻是另外一個物體！是否存在特殊物體對象，只對其他物體產生力，而自身不受任何力？在馬赫的宇宙中是不存在這樣的物體。事實上所有的物體都是既作用于其他物體，也受其他物體同等程度的作用。換而言之，力是無法脫離源和目標對象獨立存在的。那么力只是物體相互之間作用的稱呼。

思考：

1.如果把牛頓的絕對空間認為是馬赫原理所指宇宙平均意義下的慣性系。那么表面上兩者取得統一。但牛頓的絕對空間中無法對物體產生真實力。而馬赫慣性系卻是宇宙物質總體，必然對物體產生真實力。絕對空間架構中，對宇宙體系的闡述超出了宇宙自身。而馬赫原理中的物體作用都是來自宇宙自身相互作用的綜合。牛頓體系是以超自然（宇宙體系外）來解釋自然（宇宙），馬赫體系是使用自然解釋自然。而使用自然解釋自然，正是科學的起源。使用超自然來解釋自然，正是神學的起源。最后牛頓因第一推動無法解釋而研究神學，可能是他哲學思考方式的結果。

2.潮汐，大家都熟悉。我們來看潮汐是如何形成的。在太陽的引力下，地球繞太陽旋轉。而地球有一定的大小的。向陽的地球表面和背陰處的地球表面，距離太陽差了地球的直徑。那么太陽對這兩部分的引力就有差異。事實上地球上某兩部分之間到太陽的距離有差異，則太陽的引力就有差異。這個差異并不大，對固體而言，不足以對形狀造成可察覺的影響。而海水是流體，引力的差異很容易造成形狀差異。如右圖所示，向陽處的引力最大，造成海水輕微地凸出海平面（吸向太陽方向），而背陰處的引力則最小，也是輕微地凸出海平面（此刻是遠離太陽方向）。因為地球自轉，而凸出海面部分始終是朝向太陽方向，以地球為參照來看，凸出部分就在移動，這就是潮汐。月亮也同理產生潮汐。雖然太陽對地球的引力比月亮對地球的引力大180倍。但造成潮汐的原因是引力差！月亮和地球距離太近，以至于同樣距離差造成的月球引力差是太陽引力差的兩倍！也就是說月亮潮汐比太陽潮汐大。當月亮潮汐和太陽潮汐重合時，潮汐達到了最高峰。海邊每天都有月亮兩場潮汐，潮汐每天都比昨天有時間延遲，大約是50分鐘。為什么？太陽潮汐每天也有兩場，太陽潮汐有時延嗎？

3.木星非常大，周圍大量衛星。伽利略最早發現了4顆衛星。這些衛星由于受潮汐力的影響，永遠都是同一面朝向木星。為什么（假設最初這些衛星自轉周期和對木星的公轉周期不同）？和月亮與地球的關系相同。但月亮同一面朝向地球卻不是潮汐力的原因！（目前認為月亮是大碰撞形成的。在地球形成早期，一顆火星大小的天體與地球碰撞，飛出的物質進入環繞地球的軌道，經由吸積形成月球。）地球的一天在緩慢延長，估計一下原因。

4.前面指出，最好的慣性系是馬赫原理下的慣性系。那么判斷標準是什么？有太陽慣性系為例，地球的不同區域受的引力居然不同，使得地球上物體因和慣性系的位置關系不同而運動！這就說明此慣性系有先天偏差。而地球上，因地球自轉，物體在離開赤道向南北極運動時，產生左右的移動偏差！同樣說明地球慣性系也有先天偏差。事實上地球慣性系的偏差比太陽慣性系還要大！在馬赫慣性系下，地球和太陽，尺寸相比整個慣性系完全可以忽略位置差異，地球或太陽表面不會有任何此慣性系帶來的潮汐。也就是說，在此慣性系下，物體狀態完全看其受力，與位置差毫無關系。

梅樂芝經理的科普文章（七）

第7節物質的組成

物質是用什么構成的？這個問題可能很早就出現在人們的腦海中。春秋時中國的五行理論，其中有。后來五行成為一種包羅萬象的體系，從倫理到中醫等等不一而足。古希臘時期，恩培多克勒提出四元素組成萬物。后來德謨克利特提出原子論，指出萬物是由不可分之物（原子）構成。這是一種構思，缺乏實證。

愛爾蘭人波義耳給出了一個可行的定義：元素是一種單純的物質，不能使用物理或化學方法分解為更簡單的物質。后來英國人道爾頓又重新提出了原子論。此時已有大量元素被發現，他認為：元素均由不可再分的微粒組成。這種微粒稱為原子。原子在一切化學變化中均保持其不可再分性。這一觀點重復了德謨克利特的觀點，當然他還提出了一些可驗證的推論。部分正確部分錯誤。不過畢竟是可驗證的理論，最終原子理論于二十世紀初廣泛接受。

意大利人阿伏伽德羅提出了分子論，認為分子是物質組成的基本單元，而分子是由原子構成。這些原子數量及元素類型決定了分子的性質，最終決定了物質的屬性。我們常見的物質存在狀態是固態、液態、氣態，通常稱為固體、液體、氣體。這些狀態的區別就在于分子之間的關聯方式不同。固體：分子保持位置不變，間距很小（與分子大小相比）僅在固定位置附近輕微振動。液體：分子無固定位置，間距相對固體情況要大，但整體還還能保持完整性。氣體：分子不僅無固定位置，間距非常大，必須施加外因才能維持（引力或密閉容器）不擴散消失。

無論物體什么狀態，其分子都在運動，程度與溫度相關。溫度越高，運動越快。換而言之，溫度就是分子運動平均狀況的指標。對于固體而言，當溫度越來越高，分子的振動越來越劇烈，維持固體各分子保證自己位置的約束相對越來越弱。某些分子因為振動更劇烈而離開原始位置，則固體開始熔化為液體。液體分子沒有固定位置，導致可以流動。但整體還可以保持分子不脫離集團。當溫度更高，分子運動更快時，某些液體表面分子速度太快，離開液體表面，脫離了液體整體。當大量液體分子開始離開液體表面，液體開始汽化，成為氣體。氣體的分子間距太遠，相互之間基本沒有關聯。如果沒有約束存在，分子就消失得無影無蹤。

前面討論了液體和氣體的壓力。在地球表面，比如某塊鋼板。空氣中大量分子快速運動，撞擊到鋼板。這些撞擊的整體效果就是大氣壓力。同樣鋼板置于水中，大量水分子撞擊效果就是水的壓力。可以看到，鋼板面積越大，則撞擊效果越明顯，對應壓力就越大。我們通常使用壓強來定義壓力效果。就是固定受壓面積，來測定壓力大小。測定的壓力就定義為壓強。壓強=壓力/面積。通常的大氣壓就是指大氣壓強。

思考：

1.溫度是分子運動速度的平均指標。那么就存在某些分子運動速度遠大于平均速度，某些分子速度遠小于平均速度。冬天天寒地凍，在外面晾衣服，衣服上都結冰。但是晾一段時間，衣服還是可以晾干，就是這個原因。同樣情況，液體表面的某些分子也可以脫離表面，成為氣態分子。如果將液體保持著密閉環境，將氣態分子清除，對液體而言，其狀態有什么變化？

2.熱量在不同溫度的物體之間傳遞。實質是分子平均運動速度降低，就意味這熱量流失。分子平均運動速度升高，就是吸收熱量。注意，只是分子平均運動速度，并不涉及分子數量和分子密集程度問題。前面曾經提到，溫度有下限，-273.15c，而沒有上限。原因就是分子運動速度（正常情況下，宏觀規模的運動是有方向的。速度就是某方向上的運動快慢程度，速度概念里面包含了方向因素。在分子級別時，討論的是大量分子的速度大小，不涉及方向）最低為0，就是完全不運動。無法為負。原理上而運動速度可以任意快，也就是溫度沒有上限。但實際上速度也有上限，最快不超過光速（愛因斯坦相對論要求。2011年9月22日，意大利格蘭薩索國家實驗室接收730公里以外的從歐洲核子研究組織發射的中微子束的時候，發現中微子比光子提前60.7納秒到達目的地，意味著有超過光速的情況出現。2011年11月17日重復驗證。2012年2月報道，有可能是實驗誤差導致的情況。也就是說超光速尚未證實存在。）。溫度定義，如果以溫度下限為基準，定義為0度，這就是熱力學溫度定義，以英國人開爾文的名字命名，使用k來表示。0k=-273.15c，0c=273.15k。如果讓1個分子完全靜止，這算不算達到0k呢？

3.地球大氣離地面85公里至800公里之間稱為熱層，最高溫度可達2000c.那么宇航員所穿的宇航服會不會因為熱而損壞？

4.同質量的冰體積居然比水體積大，是否意味著固態情況下分子距離大于液態呢？事實上冰的分子和水的分子形狀不同！雖然組成相同，冰中的水分子像張開翅膀的蝴蝶，而液態水分子則是蝴蝶的翅膀稍稍收攏。同時也說明水分子之間的間距與冰中水分子之間間距沒多大差距。

5.同體積酒精和同體積水混合，結果體積并沒有達到原體積的兩倍。表明某種液體的分子間隙過大。而某些液體分子過于稠密，表面看起來不像液體，而像固體。瀝青，常用于公路鋪設、防水密閉材料、建筑結合劑（注意不是柏油，瀝青來自石油，柏油來自煤焦油）。澳大利亞昆士蘭大學進行了一項瀝青滴漏實驗，以表明瀝青是液體。用了60年時間滴出8滴。

6.地球內部都是液體，中心是金屬液體，外層是巖石液體，就表面薄薄一層固體。就因為地殼內部是液體，所以地球的薄殼相當于漂浮在液體上，可以移動。我們所能觀察的地球歷史，就是外殼漂移和沉浮的歷史。

7.地球表面山的極限。自從印度次大陸撞上歐亞板塊后，青藏高原就開始形成，撞擊部位形成了喜馬拉雅山脈，持續在上升中。那么山脈是否會持續上升，沒有終止呢？地殼下面是巖漿液體，當山太高以后，下面承載的巖石受的重力太大就陷入巖漿中，這時山就無法繼續升高。估計地球可以承載的山的高度大約20公里。火星有21公里高的山，是太陽系中最高的山。但火星內部已經冷卻，無法再讓山增高了。同樣情況，冰厚度增加到一定程度，壓力使得冰熔點降低，出現湖泊。在南極冰層下大約有140多個湖，其中最大的是沃斯托克湖，在冰下4000米。形成時間超過50萬年，面積1.57萬平方公里。

8.在顯微鏡下，可以觀察水中的灰塵、花粉粒的運動，從側面可以得知水分子的運動規律，就是沒有規律。這一運動稱為布朗運動，以英國人布朗命名。

9.液體分子之間有吸引力，維持液體體積不變。造成這種吸引力的因素和原子的類型有密切關系。水內部的分子受到各個方向吸引力，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。最終表面的水分子數量達到最小，無法再被吸入內部。就在水表面就形成一層膜，這次膜具有一定韌性，可以讓小動物、昆蟲在上面奔跑。這層膜的效果就使用表面張力來等效。

在液體與氣體（非液體同一種物質）分界面，大量液體分子進入氣體，稱為汽化。少量氣體分子進入液體，稱為溶解。當進入的氣體分子數量和重新離開液體的氣體分子數量相等時，稱為飽和溶解，這時候進入液體的分子數量不再增加。此時一定體積的液體中溶解的氣體分子總質量稱為溶解度。當液體外氣體分子的數量減小時，表現為氣壓強降低，則液體中的氣體分子數量會下降，在一個較低水平重新達到平衡，也就是說，氣壓降低，則氣體溶解度下降。當溫度升高時，分子活動加劇，氣體分子更容易離開液體，也導致溶解度下降。因為溶解度隨氣壓和溫度相關，因此給出溶解度時，就得同時給出當時的壓強和溫度。

固體和氣體，也有類似情況，不過只有少量固體可以吸收大量氣體，多數固體吸收的氣體微乎其微。而固體也可以溶解到液體中，事實上，我們身體的大量生理活動，都是因溶解才得以發生。液體溶解固體，也同樣有溶解度，時常伴隨著放熱或吸熱。液體溫度升高時，多數固體的分子更易進入液體，溶解度增加，這個和氣體完全相反。

思考：

1.水中生存著大量動物，除了那些哺乳動物可以從空氣獲得氧氣，其他動物都是從水中獲取氧氣，這些都是從空氣溶解進入水中的。1立方米空氣含氧氣大約320克，1立方米海水含氧氣6克-12克，北極地區海水中氧氣含量幾乎是赤道地區的2倍。可以肯定，海洋動物的呼吸效率更高。