力

　　物體之間使物體加速或變形的相互作用；它是物理學中使用最廣泛的基本概念之一。

　　力有很多種，例如，地球的引力，發動機的活塞上所受的燃氣壓力和大氣壓力，建築物上所受的風荷載，物體運動所受的空氣或水的阻力，電磁引力和斥力，核子間的作用力和物體接觸中的壓力和摩擦力等。實際上，自然界的物質有四種相互作用即四種力，萬有引力、電磁力、結合原子核各成分間的所謂“強”作用力和“弱”作用力。

　　在日常生活中，，推拉物體時能直覺地產生“力”的模糊概念。推一物體時，它就可以發生運動；物體在滑行時，由於摩擦力的作用而逐漸變慢，最後停瞭下來；噴氣飛機上發動機的推力使飛機能高速飛行等，都反映瞭力的作用。中國的《墨經》上就把這個概念總結為“力，形之所以奮也”，即力是使物體奮起運動的原因。所以，力是那樣自然地反映到人的意識中去的，但是要人們克服直覺所理解到的概念而得到“力”的嚴格的科學定義，卻經歷瞭長期的鬥爭。

　　發展簡史　在西方，力的概念首先產生在古希臘的哲學爭論之中。在早期希臘的宇宙論學派（如泰勒斯等人）中，認為自然是有生命的，像人體一樣，是自己運動的活的組織。在這種哲學思想指導下，並不存在運動的起源命題，也沒有“力”的概念。後來帕門尼德從邏輯推理提出瞭運動並不存在的觀點，他的反對者提出瞭運動的源泉是“力”來證明運動是存在的。這樣，就無形中意味著承認瞭“力是因，運動是果”的原始的因果論觀點。

　　柏拉圖的力的概念基本上是非物質的，自然之所以賦予運動的本性，完全是因為有一個不朽的活著的精靈。他認為自然界的所有力的最後源泉是隱藏著的世界靈魂，它才是一切物理活動的根源。

　　在亞裡士多德的著作中，力被看作從一個物體發射到另一個物體中去的。這種發射的力本身不是物質，而是一種“形式”，它是依賴於物質而存在的。因此，根據這種力的概念，其作用隻能限於相互接觸的物體；隻有通過推或拉，才能有相互影響作用。亞裡士多德的這種力的概念完全擯棄瞭不接觸而通過遠距作用的力的存在，於是，行星運動隻能假說行星自己有發動機驅動；恒星隻能假說它自己是有生命的。但亞裡士多德首先提出瞭所謂“運動定律”，認為運動物體的速度和通過介質時受到的阻力成正比，他並沒有提出所用的量的量度單位，也沒有測量這些量的方法。亞裡士多德認為物體的重量是表示“自然運動”的，即表示物體有返回到它自然位置的傾向，而不代表物體受迫運動的原因。這種認識排除瞭把重量作為量度力的單位的可能性。在整個中世紀，由於思想上深受亞裡士多德的束縛，在力的概念上並沒有什麼進展。

　　伽利略對經典力學的建立有著重要的貢獻，但對力的概念的形成則並不完備，他對質量的定義是模糊的，所以，他並不能給出力的清晰的定義，使這種定義既能用於靜力學，又能用於動力學。當然，他對慣性原理是理解的，他的慣性原理指出，物體在不受外力作用的條件下，將能連續地進行常速運動。他把力和速度的變化聯系在一起，破除瞭亞裡士多德把力和速度聯系在一起的長期的思想束縛，開辟瞭I.牛頓把力和加速度聯系在一起的道路。

　　J.開普勒和伽利略一樣，對牛頓建立力的概念起著極為重要的作用。開普勒根據第谷長期的星象觀測資料和對這些觀測的反復研究，終於在1605年認識到行星軌道運動是因行星受到瞭吸力而造成的，但對吸力的性質並不清楚。這種吸力是通過空間從吸引中心（太陽）到達行星的，其大小和距離的二次方成反比。這些力是怎樣“漫過”空間的，卻不很清楚，但他認為這是一種數學上的需要。開普勒對這種遠距作用的引力的看法，在以後物理學的萬有引力、電磁力和核力的理論中，經常采用，已成為范例。

　　力的概念在經典力學中占有最根本的重要位置，牛頓在1664年就提出瞭力的定義是動量的時間變率（動量等於質量乘速度）。牛頓第一定律即慣性定律是力的定性的定義，它規定力在什麼條件下存在和在什麼條件下它的作用不存在的定性的條件。牛頓第二定律給出瞭力的定量的定義，即力等於動量的時間變率，當質量不變時，力等於質量乘加速度。牛頓第三定律指出，對於每一個力而言，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對的，隻有當兩個物體在相互作用下才能實現。這兩個力分別作用在不同物體上。

　　牛頓的萬有引力理論的驚人成就，是使超距作用的力的概念推廣到物理學的其他分支去瞭。但是，牛頓並不能從物理上說清楚這種超距作用的概念，從而長期受到各方面的嚴厲批評。19世紀，J.C.麥克斯韋總結瞭前人對電磁現象的研究，以場的概念為基礎，建立瞭經典電動力學的基本方程，預言瞭電磁波的存在，促使人們懷疑超距作用力的概念。一直到A.愛因斯坦於1905年提出狹義相對論，指出一切物理作用傳播的最大速度是光速以後，人們才認識到超距作用的力的概念有著根本的局限性。愛因斯坦又於1915年在他的廣義相對論裡明確指出，萬有引力的傳播速度不可能大於光速以後又提出引力波的概念。

　　在歷史上，有許多科學傢和哲學傢曾指出，牛頓力學中的力的概念隻是一種方法論性質的工具，或是一種形而上學的東西。G.R.基爾霍夫、H.R.赫茲和E.馬赫都認為很難說明力的概念的實質，但都肯定力是一種計算用的量，代表質量和加速度的積。當然，自從牛頓以後，力的概念對科學的進展貢獻很大，沒有力的概念，物理學就立刻失掉瞭理論的連貫一致性。

　　牛頓第二定律既可以看作是質量的定義，也可以看作是力的定義。前者把力看作是基本量，而質量看作是第二定律的導出量；後者則反之。

　　在物理世界中，物體的速率v被限制在一定的區間內：0≤v＜с(с為真空中的光速)，要知道物體在這全區間的運動規律，就必須應用相對論。力的定義依舊可采用力等於動量對時間的變化率，不過質量是隨速率而變的，但此時所產生的加速度在一般情況下數值上不和力成正比，方向也並不和力的方向一致。

　　力的單位制　長度單位可定義為標準量器在兩點間的距離，或用特寫的光譜線波長來量度。1983年10月第17屆國際計量大會正式通過的定義為，米是1/299792458秒的時間間隔內光在真空中行程的長度。時間可以用標準運動的周期，例如，地球公轉周期，時鐘的擺動周期，或分子的振動周期來衡量。利用這種長度和時間的單位，就能定出速度和加速度的單位和量度。這裡，用兩種單位制來探討牛頓第二定律，即絕對制和引力制。

　　絕對制　引進標準物體的質量為單位質量，於是，根據牛頓第二定律，使單位質量產生單位加速度的力為單位力，其他質量在原則上可以和標準單位質量相比。通過實驗，證明瞭質量是一個標量，而力和加速度都是矢量，它們服從矢量的合成和分解的運算規律。在絕對制中，非相對論力學的牛頓第二定律可以寫成F=ma，式中的F和a 分別是力和加速度，它們都是矢量，上式表示加速度產生在力的方向上；m是該物體的質量，式右的m和a 如果是已知的，則此式即是力的定義。所以，在絕對制中，質量是基本量，力是導出量，它的量綱是MLT^-2，其中M是質量，L是長度，T是時間。絕對制中使1克的質量產生1厘米／秒²加速度的力為1達因；使1千克質量產生1米／秒²加速度的力為1牛頓。1牛頓等於10⁵達因。

　　引力制　用標準物體所受的地球引力作為標準力，於是，引力制把力作為基本量，而根據牛頓第二定律，質量是聯系力和加速度的比例因子，變成瞭導出量。在引力制中，標準物體的重量的值作為單位力， 引力加速度為g。任何物體的重量是用標準物體的重量來量度的。設其重量是W，該物體的質量m可以表示為W·g^-1。這個導出量m的量綱為FT²L^-1。其中F是力的量綱，由於地球表面各地的地球引力加速度並不完全相等，這樣，重量在各地也不可能完全相等；為瞭避免這種困難，就規定地球表面某一特定地點（緯度45°的海平面上）作為測量標準物體的標準重量的場所。引力制和絕對制一樣，其絕對程度並不比所謂絕對制的絕對程度差。

　　

參考書目

　R. Dugas，A History of Mechanics， Routledge & Kegan Paul， London， 1957.

　M. Jammer， Concepts of Force;A Study of the Foundations of Dynamics， Harvard Univ. Press， Cambridge，Mass.，1957.