4、惯性原理（1 / 1）

牛顿的力学定律告诉我们，任何物体都有保持其运动状态的惰性，如果不用力去改变它，那它就一直保持着原来的运动状态，如果施加一段时间的力，运动状态就改变了，而且改变的程度与力和时间的乘积成正比，如果撤去这个力，物体又会保持在新的运动状态不再改变，这个描述物体运动状态的量称之为动量。牛顿的力学还告诉我们，如果对某个物体施加力，施力的物体同样会受到一个反作用力，这两个力等大反向而且在同一直线上。反作用力的存在进一步诠释了惯性或者惰性这一概念。

力学定律可以用最小作用量原理来分析，系统真实的状态是所有可能的作用量中最小的那一个，这和牛顿力学的描述等价。在物理学的两个不同的领域里有两个量都用S表示，分别代表作用量与熵，而且存在与之相对应的两个基本物理规律，即最小作用量原理和最大熵原理。这就好比一个处在凹坑里的钢珠，如果给它一个小的扰动，它会在平衡位置附近运动一段时间后回到平衡态。这个最低点代表了稳定状态，也可以说是物体惰性的起源。

因此，一个物理系统为什么会有惯性也可以通过类似热力学的思维过程来理解。一个系统确定的宏观状态会对应不同的微观状态，而描述某宏观态的微观态数量越多，它的热力学几率就越大，对应的就是热力学的平衡态。平衡态的稳定性来源于微观状态的热力学几率，也就是宏观系统的熵。如果因为某种原因，比如稍稍改变某个宏观态的数值，就会导致系统偏离平衡态，这种内在的机制就会让系统在平衡态附近演化，最终演化为对应于新的宏观态下的新的平衡态。所以说，不仅仅是力学系统，热力学系统也存在对应于平衡态的某种惯性，而与力学中反作用力相对应的，显然就是化学中的勒夏特列原理。

当一个化学反应过程处在平衡态时，改变某个宏观条件，比如改变体系的温度、压力或者某种反应物或生成物的浓度，平衡会向着能够减弱这种改变的方向移动。这是化学反应中一条适用性非常普遍的定性原理，可以用来判断化学反应平衡移动的方向。在某个平衡反应中通过改变宏观物理量的方式，相当于改变了平衡条件，对系统施加了某种影响，这可以看作一类广义力，推动系统开始演化，并最终进入一个新的平衡状态，在从旧平衡向新平衡转化的过程中，系统以勒夏特列原理的方式对外界施加的影响进行反抗，这种外界影响与系统自身的相互作用，一直持续到新的平衡的建立。这与力学中的牛顿惯性定律是非常相似的。

一个系统如果存在一个稳定的状态，或者存在某种内在的对称性，就需要一些描述稳定平衡态的物理量，或与对称性相对应的不变量来描述它们。它们的共同特点就是这些物理量不随时间变化，如果没有外界的扰动或推动，或者系统自身的涨落不足以打破平衡的稳定性，系统就会一直处在这样的状态，也就具有了某种惰性或广义惯性，当外界试图改变系统状态时，会受到系统的反抗从而产生系统与外界的相互作用。

以上分析告诉我们，作用总是相互的。这样，惯性原理实际上植根于最小作用量原理和最大熵原理，而根据费曼路径积分的思想，经典的最小作用量实际上也是量子作用量中几率最大的路径。这样，最小作用量原理和最大熵原理都是起源于几率，在几率层面上它们是统一的，不同点仅仅在于最小作用量是几率最大的路径，而最大熵则是几率最大的微观状态。如果把两点之间所有可能的路径中的每一条看作一个微观状态，最小作用量原理与最大熵原理就是一回事了。处在平衡态或恒定运动状态的系统已经是最大几率的状态，无论向哪个方向演化都会遇到某种阻碍，因此也就具备了某种稳定性。我们可以举出一些这样的例子：时间的平移对称性导致能量守恒，为了改变系统的能量，外界需要做功来实现，当外界做正功，系统就会反抗外界并做负功；空间的旋转对称导致角动量守恒，为了改变系统的角动量，唯一的可能是与外界相互作用，外界给系统一个力矩，同时系统反抗外界一个等大反向的力矩。最小作用量原理和最大熵原理是物理学中最基础，最普遍的原理，因此它们的应用并不局限在力学与热力学的范围，这样，我们就发现惯性原理是一条非常普遍的原理，并不仅仅局限在牛顿力学和化学领域。

在电磁学领域中，我们同样找到一条类似的惯性原理：楞次定律。楞次定律告诉我们，在电磁感应现象中，感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化，或者通俗的理解为，感应电流的结果总是反抗引起感应电流的原因。它可以帮助我们判断电磁感应现象中感应电动势或感应电流的方向。显然，楞次定律就是电磁学中的惯性定律。

由于惯性原理是一条非常基础的原理，而根据经验我们知道，当一条原理越基础越底层，它所涵盖的范围就越广，它所容纳的内容就越多，所以或许惯性原理的应用范围比我们想象中的还要普遍，甚至可以延伸到生物学中用以解释生态系统的稳定性和生态系统与环境的相互作用，或者延伸至社会学或经济学领域，理解这些系统中的现象。

广义的惯性原理告诉我们改变是需要付出代价的，我们周围世界的绝大多数系统都处在某种平衡状态或稳定的运动状态，想要改变某个状态或过程，就需要施加与系统某个属性相对应的广义力，而系统为了反抗这种改变会回敬一个反作用力，我们对系统的改变程度有多大，系统对我们的反作用就有多大，这种惯性原理的普遍程度或许会超出我们的想象。