根据牛顿(I. Newton)的惯性定律和加速度定律,物体在不受外力或者所受合外力为零时,保持静止或匀速直线运动状态,这种性质就是惯性;而且物体在所受合外力不为零时获得加速度,发生运动速度和/或运动方向的改变,加速度大小与物体惯性质量成反比。换句话说,物体运动状态的改变程度,取决于克服物体惯性的力作用大小。
人和其他高等动物称得上自主控制运动的物理系统。他们是怎样获取上述定律所讲的自身运动状态及其改变的信息,借以灵活调节行为的呢?本文就来揭开这个奥秘。
借《星际迷航》假想的实验
科幻影视系列《星际迷航》(Star Trek)展现了 “企业者号”飞船穿梭于浩瀚宇宙,寻找新世界、发现新文明的故事。我们不妨借此来设想一下:某天,“企业者号”被卷入一片未知空间,飞船导航系统处于瘫痪状态,并且不能与外界进行任何形式的信息交流,船员们被迫启用手动操作模式。为减少能耗,他们必须实时监控飞船运动状态,从而合理调度引擎功率。因为没有外界参照,只好通过飞船内部物体的相对运动关系来确定飞船的运动信息。经过用积木做的几个小实验,他们惊喜地发现,要推动的积木块数越多,则费力越大。显然,这意味着惯性定律在此空间仍然适用,因为积木块数越多则惯性越大,推动它们当然越费力。
等飞船运动了一段时间之后,船员们可以把积木摞起来,通过上下积木块的错位情况判断飞船运动状态。假如上边积木与下边积木“并驾齐驱”,他们很可能会觉得闹心,因为从惯性原理来看,处在飞船内部的人是无法区分静止和匀速运动这两种情况的。不过,他们可以毫不迟疑地判断飞船是否正在转动:由于惯性的作用,不受外力的物体将保持自身状态,从而相对于飞船的局部沿切线方向飞出去。
判断自己所在系统的运动状态,对迷失于未知空间的宇宙飞船是生死攸关的。反观栖居在地球上的人类和其他高等动物,判断自己相对于环境的运动状态,对生存同样至关重要。科学家经过长期研究,已经弄清了前庭器官是人和其他许多动物获取运动状态信息的身体构造。