博文
牛顿力学理论中‘力’概念的局限性
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牛顿力学理论中‘力’概念的局限性
在《牛顿运动三定律全是广义相对论的近似吗？》那一篇博文中，我曾指出
牛顿运动定律只是由实际现象抽象而成的近似理论；牛顿运动定律所藉以建立的
一些基本概念同广义相对论所藉以建立的一些基本概念差别很大，甚至不相容。
力是物体之间的相互作用。就‘力’的概念来说，它在牛顿运动定律中的含
义与在广义相对论中的含义相比，差别更为明显。通过本文的分析，我们将要看到，
在广义相对论中‘力’的概念所概括的范围，比在牛顿运动定律中‘力’的概念所
概括的范围要广泛得多。因之，在牛顿力学理论中‘力’概念是具有局限性的。本
篇博文打算比较详细地说明牛顿力学理论中‘力’概念的局限性。
在牛顿力学中，认为‘力’具有如下一些特性：1），一个力总是与两个物体
相联系，一个为施力物体，另一个为受力物体；2），力都具有大小、方向、还有作
用点，称为力的三要素；3），‘力’总是成对出现的，这一对力互称为作用力和反作
用力，两者大小相等、方向相反，沿同一直线作用，作用力的施力物体和受力物体
与反作用力的施力物体和受力物体互换；4），力遵守叠加原理，这就是说，当一个
物体同时受到几个物体施加力的作用时，所获得的加速度等于在那几个物体分别所
施加力的合力作用下所获得的加速度，这相当于假定，两个物体之间的相互作用力，
只与这两个物体的相对位形和相对速度有关，而不受周围其它物体的影响；5），认
为力的作用是瞬息传播的。这些特性是根据地球附近宏观力学现象抽象而成的近似
看法。必须强调，这些特性是有局限性的，下面我们将看到，在更广泛的情况下，
这些特性之中，有的可能不成立。
在牛顿力学中所涉及的力，主要是万有引力、张力、压力、弹性力、摩擦力、
黏滞力等等。除万有引力外，牛顿力学中所涉及的力，包括张力、压力、弹性力、
摩擦力、黏滞力等等，其起源都可追索为两物体接触处的分子或原子间的电磁相互
作用。不过，在牛顿力学中，不去详细研究这些出现在两物体接触处的分子或原子
间的电磁相互作用；只笼统看成是，在两物体接触之处出现了宏观力，这些宏观力
大致基本满足牛顿力学所认为的 ‘力’应具有的上述五条特性。在牛顿力学中也不
研究宏观的电磁相互作用；宏观的电磁相互作用由电动力学研究。由于电磁相互作
用系通过电磁场以光速传播，电动力学须结合相对论来进行研究；如果引力可忽略
不计，只要结合狭义相对论，如果引力不可忽略不计，则要结合广义相对论。电磁
相互作用有时只施加力矩而不是施加力，例如，中子不荷电但具有一定的磁矩，在
均匀磁场中，中子便要受到力矩而不是力的作用；在这种情况下，便无法说明力矩
中之力的大小、方向、作用点如何确定。
牛顿力学只研究弱场慢速情况下的万有引力，当引力场较强时，便只能用广义
相对论来进行研究。在广义相对论中，把引力解释为时空的弯曲效应。考虑一质点
因时空的弯曲沿测地线运动，若采用上述解释，此质点是受力物体，引力场似可看
成是施力物体，但如何理解反作用力？特别是，如果把引力的出现解释为交换‘引
力子’的结果，则“反作用力作用在何处？”就更说不清了。作用在引力子上？作
用在引力场上？作用在生成引力场的全部物体上？似乎都与牛顿力学的理解不一致。
究其原因，乃是牛顿力学对‘力’之概念的理解是有局限性的，不能把牛顿力学中所
认为的‘力’之特性推广到牛顿力学不适用的更广泛的情况。
牛顿力学也不适用于研究强相互作用和弱相互作用。核力是强相互作用的表现，
核力是多体力，两个核子的相互作用力要受到其他相邻的核子的影响，因之核力不遵
守叠加原理，这与牛顿力学中力的特性不相同。又如原子核的裂变和聚变的出现也
是由于强相互作用，在裂变或聚变时，原子核变化了，能量释出了；但在裂变或聚
变过程中，‘力’如何变化则难以说清楚。弱相互作用也有类似的表现，弱相互作用
在β衰变中起重要作用，β衰变中放出电子和中微子；粒子改变了，能量变
化了，但在β衰变中，‘力’如何变化则难以说清楚。因此与牛顿力学不同，在研
究强相互作用或弱相互作用时，我们着重研究能量的变化，而不着重研究力的变化。
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