力的本质是什么？
马海飞
(http://blog.sina.com.cn/gfis2013年1月10日)
“力”是物理学中一个非常基本的概念。但是，至今为止，人们对“力的本质”是什么还没有一个确切的认识。一般来说，“力”被定义为“是物体之间的相互作用”，或者“是改变物质运动状态的原因”。但是，这个定义仅仅适合作用力的场合，并不适合像万有引力现象中的“力”。众所周知，“物体之间的相互作用”必须要有两个物体同时存在。但现有的万有引力理论认为“引力场”是由“引力”构成的，而引力场的存在并不需要两个物体，只要有一个物体就会有所谓的引力场存在。这“一个物体”是如何产生出引力来的？另外，所谓的“改变物质运动状态”的具体表现就是在改变速度（包括加速度）上。而在万有引力现象中的引力加速度是不能改变的。在同一个位置上的引力加速度对任何物体而言都是一样固定不可变的。所以，用同一个作用力的概念去理解万有引力是行不通的。那么万有引力和作用力有什么区别呢？这个答案就必须从“力的本质是什么”这个回答中去找。
1.“力”对应的物理现象。任何一个物理概念必须要对应一定的物理现象，否则那个概念就是没有实际的物理意义。“力”的概念也不例外。那么什么样的物理现象对应于“力”呢？首先，力的产生条件之一是“必须要有两个物体同时存在”。一个孤立的物体是不可能产生出力来的。其次，“两个物体之间必须要有相互作用”。而且这种相互作用必须是硬碰硬的实体之间直接接触的相互作用。这里所说的“实体”就是广义的“具有质量的物体”，它是与“场”不同的物质存在形式。因此，这个“广义的实体”包括了气体、液体和固体等所有“质量属性物质”的存在形式。任何一个独立的实体都可以用一个“质点”来表示。因此，“力”是在两个质点（实体）之间的直接相互作用下产生出来的。在两个“非直接接触”的实体之间是不可能有“力”存在的。另外，力是可以测量出来的。单凭计算得到的结果并非是真实存在的力，那个“力”只能是：如果在相同的条件下两个物体的实体之间相互直接作用时“将会”产生出来的“潜在”力。
2. F=ma与F=mg的本质不同。既然如此，那么“万有引力”中的“力”到底是什么呢？我们知道，天体

之间不存在直接接触式的相互作用。但却可以用牛顿的引力公式正确计算出“引力”的大小。如果万有引力不是“力”的话，为什么可以用牛顿的引力公式计算出正确的引力大小呢？其实，这个问题并不难回答。我们知道，虽然“力”与“运动”是不同的物理现象，但二者之间是可以“互为”因果的。“力”可以让物体产生“运动”，物体的“运动”也可以在物体之间产生“力”。力与运动的关系反映在F=ma和F=mg这些公式上。F=ma中的力是作用力，F=mg中的力是重力或引力。从表面形式上看，F=ma与F=mg非常相似，但二者之间在本质上却存在着决然不同的物理意义。F=ma中的加速度a是在质量为m的物体受到大小为F的作用力的作用下产生出来的。这个作用的过程是物体之间硬碰硬的“直接接触式的相互作用”。因此，F=ma的公式也可以写成a=F/m的形式。这个公式所反映出来的是一个“力产生运动的过程”或“力改变物体运动状态的过程”。与此相反，F=mg中的加速度g可“不是”在质量为m的物体受到大小为F的万有引力的作用下产生出来的。相反，加速度g的出现根本就不需要质量为m的物体存在。只要有一个质量为M的物体存在就够了（g=GM/r2)。因此，我们不能把F=mg的公式写成g=F/m。正确的引力加速度计算公式应该是g=GM/r2，或写成：g=4πGM/4πr2。这说明引力加速度来自M/4πr2。因为4πr2是一个球形面积，因此，M/4πr2就是质量M在球形面积4πr2上的分布密度。也就是说，M/4πr2所代表的是一个球形“场”的特征。这个场就是“质量场”。可见，引力加速度是由质量场密度D决定的，与引力F的大小无关。在F=mg这个公式中的m无论多大都不会影响引力加速度g的大小，只影响引力F的大小。这就是说，F=mg所反映出来的是一个“运动产生力的过程”。与F=ma正好相反。
3.F=mg或F=GMm/r2中的“力”是什么时候产生出来的？既然F=mg中的“力”是“在物体的运动过程中产生出来的”，那么具体的产生过程是什么呢？其实在万有引力现象中首先出现的物理现象是“运动”，这就是“自由落体运动”。然后才有可能产生出力来。因为自由落体本身具有质量（m），而且在自由落体运动的过程中还有一个自由落体加速度（g）。在物理世界中，物体在自由下落的过程中是不存在任何“力”的，只存在（自由落体）“运动”。因此，在自由落体运动的过程中是测不到“力”的。只有当M与m这两个物体之间处于直接接触的状态下，才会产生出F=mg或F=GMm/r2这些计算公式中所描述的那个“力”来。一个处于自由落体运动过程中的苹果是没有F=mg这个力存在的。但，一个放在桌子上的苹果却有这个力存在，因为苹果与桌面之间有直接的实体接触。如果撤掉桌子让苹果继续做自由落体运动的话，这个力又不存在了。所以，F=mg中的力是自由下落的物体在受到直接接触的“阻止”过程中产生出来的。一个物体（例如桌面）阻止另一个物体（例如苹果）自由下落的这种关系也是实体之间的相互作用。这种相互作用当然就是“力”，而且也可以测量到。
4.“势力”与“实力”。虽然万有引力中的“力”在两个物体直接接触之前并不存在，但也可以用F=mg或F=GMm/r2这样的公式计算出来。然而，计算出来的数值并非一定就是现实存在的东西。因此，我们可以这样理解这些公式所计算出来的结果：当两个物体处于非直接接触状态时，这个计算结果实际上描述的是一个“势力”或“潜力”。“势力”就像“势能”一样，是一个并非真实存在的、还没有发生的“潜在”物理现象。“潜在”的意思就是，如果一旦这两个物体在其他条件都不变的情况下出现实体与实体之间直接接触式的相互作用时，就一定会产生出F=mg这么大的（真实的）力来。但在实体之间还没有相互接触之前，这个力实际上是不存在的。举例来说，我们可以用万有引力计算公式来计算地球与月球之间的引力大小。但这个力仅仅是一个“势力”或“潜力”，而不是现实中实际存在的力。只有当这两个天体在现有的距离上静止地相互接触在一起时，在它们之间才会产生真实的相互作用力，这个力才是“实力”。只有这样的“实力”才是真正的“力”。而“势力”是一个还不存在的力的潜在形式。
5.天体之间不存在“力”的相互作用问题。虽然天体之间存在一个可能出现的潜在“势力”，但因为天体之间并没有实体的直接接触，所以它们之间并不存在真实的相互作用力，也就是说宇宙中并不存在“万有引力”这个力。天体之间所真正存在的是“运动上的”关系，而不是“力的”关系。天体之间存在自由落体运动形式，而自由落体加速度是通过天体的圆周运动所产生出来的离心加速度抵消的。这是一种“动态平衡”的结果，并不存在力的问题。物质的静态平衡状态是由“力”来维持的，但动态平衡则是由物体的“运动”来维持的。所以，力与运动是不同的。
6.“力”与“运动”的关系。要想更好地理解在物理现象中“力”和“运动”的关系，我们必须首先要知道“物质的基本属性是什么”。根据最新研究结果发现，物质的基本属性包括了“质量属性”和“质量场属性”。也就是说，物质既有“实体属性”，又有“场属性”。因此，任何一个物体都具有一个实体和一个场。这就意味着物质之间的相互作用包括了两个方面：实体与实体之间的相互所用和场与场之间的相互作用。可以说：“力”是一个实体之间的相互作用产生的结果，而场之间的相互作用却可以通过加速度产生出来“运动”的结果。这样，我们就能够清楚地理解天体之间的关系为什么不是“力”的关系，而是“运动”的关系了。例如，地球对月球的影响并不是通过“引力”实现的，而是通过质量场所决定的自由落体加速度对月球的运动状态的影响来实现的。如果月球不围绕地球旋转的话，就会像苹果一样按照地球的质量场密度给它规定的自由落体加速度掉到地球上。但是，因为月球一直在围绕地球旋转，这个旋转所产生出来的离心加速度刚好与它的自由落体加速度大小相等方向相反，结果月球就不会掉下来。所以，物体运动状态的改变未必一定需要“力”的存在，地球的质量场就可以改变月球的“运动”状态。而且，“力”也并非一定是改变物体运动状态的“原因”，它还可以是“场”所导致的物体运动状态改变所产生出来的一个“结果”。所以，“力”与“运动”是可以互为因果的关系，但不是等同的关系。
由于没有搞清楚“力”与“运动”之间的正确关系，因此目前教科书上对“力”和“运动”的定义都不准确。“力”是物体之间的相互作用的说法并没错。但必须指出的是这种相互作用仅仅是物体“实体之间”的直接接触的相互作用。如果没有实体之间的直接接触，“力”是不可能产生和存在的。但即使没有实体之间的直接接触，天体之间的“质量场”也会影响对方的“运动”状态。所以，改变物质运动状态的原因并非仅限于“力”上。
7.“场力”不是“力”。除了万有引力以外，其他所谓的“场力”也都与“引力”类似。例如目前人们对静电力和磁力等的理解也都犯了与万有引力一样的错误。一个静电场对另一个带电体的作用导致的是“场对带电体运动状态”的改变，而不是“力”在起作用。磁场对磁体的关系也是场在改变磁体的运动状态而不是一个磁体向另一个磁体施加了任何的“作用力”。所以，在“万有引力”，“静电力”和“磁力”这些概念中使用“力”这个字是不恰当的。应该用“运动”来解释和描述这些现象。量子力学主要研究的是“场”的问题，而不是粒子之间的“直接”相互作用，因此，把这个学科称之为“力学”是不恰当的。在认清了“力的本质是什么”之后，我们对很多物理学问题和物理现象就会有更深刻的认识了。
8.重新思考力学理论问题。无论是经典力学还是量子力学，当今的“力学”理论都把“力”与“运动”当成一回事对待。牛顿的三大运动定律所描述的力的现象（实体与实体之间的相互作用），却被叫作“运动”定律。而万有引力定律中涉及到的是“运动”的现象（造成物体运动状态改变的场与场的相互作用），却被冠以了（引）“力”的定律。在牛顿的理论中显然“力”与“运动”是不分的。这就造成了很大的混乱。一直影响至今。其实，力与运动并不是一回事。它们仅仅是因果关系上的紧密联系。在静态平衡中起作用的是“力”，但在动态平衡中起作用是“运动”而不是“力”。天体之间的平衡状态是动态平衡而不是静态平衡，因此，在天体之间不存在“力”的作用。用牛顿引力计算公式计算出来的那个万有引力在天体之间仅仅是一个潜在的“势力”，而不是一个真实存在的“实力”。虽然数学运算可以得到正确的结果，但物理学理论是建立在物理机制基础之上，而不是计算结果上的。这提醒我们应该从物理机制上而不是单单从数学运算上对力学理论问题进行重新思考。并且告诉我们要警惕数学运算结果对科学理论可能产生的不良影响。
9.牛顿用“力是改变物质运动状态的原因”这个思路去理解和解释所有相关的物理现象包括万有引力现象。那是因为牛顿并不知道质量场的存在以及质量场之间的相互作用也可以改变物质的运动状态这个事实。结果，他就把“力改变运动状态”和“运动状态的改变产生出力”这个两个截然相反的过程都用“力是改变物质运动状态的原因”这个观点去理解和解释了。牛顿虽然是一个物理学家，但他更精通的是数学，更热爱的是哲学。所以，对牛顿而言，只要他能够从数学和哲学上解决问题就够了。遗憾的是，后来的科学家都没有跳出牛顿思想范围。没有认识到“场对改变物体运动状态所起到的作用”以及“物体运动状态的改变可以产生出力”这个与“力是改变物质运动状态的原因”截然相反的因果关系。
小结：力的本质就是物质实体之间在相互直接接触过程中的相互作用。作用力和万有引力现象中的“力”都是如此。天体之间不存在“力”的问题。天体之间的稳定状态是通过“运动”达成的动态平衡来维持的。用牛顿引力计算公式计算出来的天体之间的那个“引力”是一个非真实存在的“势力”。“力”与“运动”不是一回事。它们是互为因果的关系，而不是单向的因果关系。改变物质运动速度的原因不仅仅是力，质量场也可以是一个改变物质运动速度的原因。当今的力学理论把“力”与“运动”混为一谈是造成很多基本问题得不到解决的一个重要原因。
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