为什么每个力都有一个与它大小相等、方向相反的反作用力？是和能量守恒有关吗？
每当一个物体对另一个物体施加一个力时，另一个物体也会对第一个物体施加一个大小相等、方向相反的力。这就像是在你推一堵墙时，墙也在推你一样。这种现象背后蕴含着深刻的物理原理，我们可以从牛顿第三定律和更根本的动量守恒来理解它。
牛顿第三定律：作用与反作用
这是我们首先接触到的解释这个现象的定律。牛顿第三定律表述为：“对于每一个作用力，总存在一个大小相等、方向相反的反作用力。” 这句话看似简单，但却是理解力学相互作用的基础。
我们来分解一下这句话的含义：
“作用力”（Action）: 这是第一个物体施加在第二个物体上的力。比如你用力推墙，你施加给墙的力就是作用力。
“反作用力”（Reaction）: 这是第二个物体施加在第一个物体上的力。墙在你推它时，也会施加一个推你的力，这就是反作用力。
“大小相等”: 意味着你推墙的力有多大，墙推你的力就有多大。如果你的推力是100牛顿，那么墙推你的力也是100牛顿。
“方向相反”: 意味着这两个力是沿着同一条直线，但指向不同的方向。如果你向右推墙，墙就会向左推你。
重要的是要理解，作用力和反作用力总是同时产生，作用在不同的物体上。你不能说先有作用力，后有反作用力；也不能说它们作用在同一个物体上。它们是一对相互关联的现象。
举个例子：
你走路时: 你的脚向后蹬地（作用力），地面就向前推你的脚（反作用力），正是这个地面的推力让你向前移动。
火箭发射时: 火箭向下方喷射高温燃气（作用力），燃气就向上推动火箭（反作用力），火箭因此升空。
你坐在椅子上: 你的身体对椅子施加一个向下的力（作用力），椅子也对你的身体施加一个向上的支持力（反作用力），正是椅子的支持力支撑着你。
为什么会这样？是能量守恒吗？
你问得很棒，这个问题触及了更深层的物理原理。虽然能量守恒是物理学中最基本的定律之一，但作用力与反作用力直接来源于动量守恒定律，而动量守恒定律是能量守恒定律的另一个非常重要的体现。 它们之间有着紧密的联系，但更直接的解释是来自动量。
动量守恒定律的视角
为了更深入地理解，我们需要引入“动量”（momentum）的概念。动量是一个物体运动状态的度量，定义为物体的质量乘以其速度（p = mv）。动量是矢量，既有大小也有方向。
动量守恒定律说的是：在一个孤立系统（不受外力作用的系统）中，系统的总动量保持不变。
现在，让我们看看作用力与反作用力如何与动量守恒联系起来：
考虑两个相互作用的物体A和B。
1. 物体A对物体B施加作用力 $F_{AB}$。根据牛顿第二定律，力等于动量的变化率：$F = frac{Delta p}{Delta t}$。所以，$F_{AB} = frac{Delta p_B}{Delta t}$，其中 $Delta p_B$ 是物体B的动量变化。
2. 物体B对物体A施加反作用力 $F_{BA}$。同理，$F_{BA} = frac{Delta p_A}{Delta t}$，其中 $Delta p_A$ 是物体A的动量变化。
根据牛顿第三定律，我们知道 $F_{AB} = F_{BA}$。将它们代入动量变化率的公式：
$frac{Delta p_B}{Delta t} = frac{Delta p_A}{Delta t}$
将时间 $Delta t$ 乘到等式两边：
$Delta p_B = Delta p_A$
这可以写成：
$Delta p_A + Delta p_B = 0$
或者：
$Delta (p_A + p_B) = 0$
这意味着，在物体A和B相互作用的过程中，它们各自的动量变化量大小相等，方向相反，所以它们的总动量变化为零。 系统的总动量 $p_A + p_B$ 保持不变。这就是动量守恒的体现！
为什么动量守恒是根本？
动量守恒定律实际上比牛顿第三定律更加基础。在很多现代物理理论（比如量子场论）中，动量守恒是由更基本的对称性原理——空间平移对称性——推导出来的。简单来说，物理定律在空间中是均匀的，无论你在哪里进行实验，结果都应该是一样的。这种“平移不变性”保证了动量守恒。
而牛顿第三定律，作为经典力学的基石，自然也包含了这种对称性的结果。当两个物体发生相互作用时，它们“分享”了施加力和承受力的过程，这个过程的设计就是为了让总的动量不被凭空产生或消失。
与能量守恒的关系
能量守恒和动量守恒都是物理学中极其重要的守恒定律。它们都描述了在孤立系统中，某种物理量不会随时间改变。
能量守恒: 描述了系统总能量（包括动能、势能等）的守恒。
动量守恒: 描述了系统总动量的守恒。
在很多物理过程中，这两个守恒定律会同时成立。例如，当一个物体从高处落下时：
动量守恒: 如果考虑地球和物体组成的系统，地球也会受到向上的反作用力。虽然由于地球质量巨大，这个反作用力产生的动量变化在宏观上几乎不可见，但其动量变化与物体的动量变化大小相等、方向相反，总动量是守恒的。
能量守恒: 物体的重力势能转化为动能。最终，落地时，动能可能通过碰撞转化为声能、热能等其他形式的能量，但总能量是守恒的。
在作用力和反作用力这个特定的现象中，动量守恒提供了更直接、更根本的解释。 如果没有大小相等、方向相反的反作用力，那么一个物体施加力改变了另一个物体的动量，但它自身的动量却没有相应地、方向相反地改变，这样整个系统的总动量就会改变，这就违背了动量守恒定律。
总结一下：
牛顿第三定律直接告诉我们，力是成对出现的，大小相等，方向相反，且作用在不同物体上。
动量守恒定律是更深层的解释。作用力和反作用力的存在，确保了在任何相互作用中，系统的总动量不会改变。
能量守恒是另一个独立的、同样重要的守恒定律，它描述的是能量的转化和守恒，与力与反作用力现象的根本原因（动量守恒）不同，但它们常常在同一物理过程中共同成立。
所以，你可以把牛顿第三定律看作是动量守恒定律在经典力学中的一种直接表现形式。正是因为宇宙在最基本的层面上遵循动量守恒，所以我们观察到的力才总是成对出现，大小相等、方向相反。这是一种内在的、深刻的秩序。
牛顿第三定律：作用与反作用
这是我们首先接触到的解释这个现象的定律。牛顿第三定律表述为：“对于每一个作用力，总存在一个大小相等、方向相反的反作用力。” 这句话看似简单，但却是理解力学相互作用的基础。
我们来分解一下这句话的含义：
“作用力”（Action）: 这是第一个物体施加在第二个物体上的力。比如你用力推墙，你施加给墙的力就是作用力。
“反作用力”（Reaction）: 这是第二个物体施加在第一个物体上的力。墙在你推它时，也会施加一个推你的力，这就是反作用力。
“大小相等”: 意味着你推墙的力有多大，墙推你的力就有多大。如果你的推力是100牛顿，那么墙推你的力也是100牛顿。
“方向相反”: 意味着这两个力是沿着同一条直线，但指向不同的方向。如果你向右推墙，墙就会向左推你。
重要的是要理解，作用力和反作用力总是同时产生，作用在不同的物体上。你不能说先有作用力，后有反作用力；也不能说它们作用在同一个物体上。它们是一对相互关联的现象。
举个例子：
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火箭发射时: 火箭向下方喷射高温燃气（作用力），燃气就向上推动火箭（反作用力），火箭因此升空。
你坐在椅子上: 你的身体对椅子施加一个向下的力（作用力），椅子也对你的身体施加一个向上的支持力（反作用力），正是椅子的支持力支撑着你。
为什么会这样？是能量守恒吗？
你问得很棒，这个问题触及了更深层的物理原理。虽然能量守恒是物理学中最基本的定律之一，但作用力与反作用力直接来源于动量守恒定律，而动量守恒定律是能量守恒定律的另一个非常重要的体现。 它们之间有着紧密的联系，但更直接的解释是来自动量。
动量守恒定律的视角
为了更深入地理解，我们需要引入“动量”（momentum）的概念。动量是一个物体运动状态的度量，定义为物体的质量乘以其速度（p = mv）。动量是矢量，既有大小也有方向。
动量守恒定律说的是：在一个孤立系统（不受外力作用的系统）中，系统的总动量保持不变。
现在，让我们看看作用力与反作用力如何与动量守恒联系起来：
考虑两个相互作用的物体A和B。
1. 物体A对物体B施加作用力 $F_{AB}$。根据牛顿第二定律，力等于动量的变化率：$F = frac{Delta p}{Delta t}$。所以，$F_{AB} = frac{Delta p_B}{Delta t}$，其中 $Delta p_B$ 是物体B的动量变化。
2. 物体B对物体A施加反作用力 $F_{BA}$。同理，$F_{BA} = frac{Delta p_A}{Delta t}$，其中 $Delta p_A$ 是物体A的动量变化。
根据牛顿第三定律，我们知道 $F_{AB} = F_{BA}$。将它们代入动量变化率的公式：
$frac{Delta p_B}{Delta t} = frac{Delta p_A}{Delta t}$
将时间 $Delta t$ 乘到等式两边：
$Delta p_B = Delta p_A$
这可以写成：
$Delta p_A + Delta p_B = 0$
或者：
$Delta (p_A + p_B) = 0$
这意味着，在物体A和B相互作用的过程中，它们各自的动量变化量大小相等，方向相反，所以它们的总动量变化为零。 系统的总动量 $p_A + p_B$ 保持不变。这就是动量守恒的体现！
为什么动量守恒是根本？
动量守恒定律实际上比牛顿第三定律更加基础。在很多现代物理理论（比如量子场论）中，动量守恒是由更基本的对称性原理——空间平移对称性——推导出来的。简单来说，物理定律在空间中是均匀的，无论你在哪里进行实验，结果都应该是一样的。这种“平移不变性”保证了动量守恒。
而牛顿第三定律，作为经典力学的基石，自然也包含了这种对称性的结果。当两个物体发生相互作用时，它们“分享”了施加力和承受力的过程，这个过程的设计就是为了让总的动量不被凭空产生或消失。
与能量守恒的关系
能量守恒和动量守恒都是物理学中极其重要的守恒定律。它们都描述了在孤立系统中，某种物理量不会随时间改变。
能量守恒: 描述了系统总能量（包括动能、势能等）的守恒。
动量守恒: 描述了系统总动量的守恒。
在很多物理过程中，这两个守恒定律会同时成立。例如，当一个物体从高处落下时：
动量守恒: 如果考虑地球和物体组成的系统，地球也会受到向上的反作用力。虽然由于地球质量巨大，这个反作用力产生的动量变化在宏观上几乎不可见，但其动量变化与物体的动量变化大小相等、方向相反，总动量是守恒的。
能量守恒: 物体的重力势能转化为动能。最终，落地时，动能可能通过碰撞转化为声能、热能等其他形式的能量，但总能量是守恒的。
在作用力和反作用力这个特定的现象中，动量守恒提供了更直接、更根本的解释。 如果没有大小相等、方向相反的反作用力，那么一个物体施加力改变了另一个物体的动量，但它自身的动量却没有相应地、方向相反地改变，这样整个系统的总动量就会改变，这就违背了动量守恒定律。
总结一下：
牛顿第三定律直接告诉我们，力是成对出现的，大小相等，方向相反，且作用在不同物体上。
动量守恒定律是更深层的解释。作用力和反作用力的存在，确保了在任何相互作用中，系统的总动量不会改变。
能量守恒是另一个独立的、同样重要的守恒定律，它描述的是能量的转化和守恒，与力与反作用力现象的根本原因（动量守恒）不同，但它们常常在同一物理过程中共同成立。
所以，你可以把牛顿第三定律看作是动量守恒定律在经典力学中的一种直接表现形式。正是因为宇宙在最基本的层面上遵循动量守恒，所以我们观察到的力才总是成对出现，大小相等、方向相反。这是一种内在的、深刻的秩序。
网友意见
当然是对称性...---打住！这可是牛顿总结出来的啊，那个时候的物理里哪知道有什么对称性啊！
我们将这个问题的答案稍微藏一下，先回到十七世纪，在略早于牛顿提出三定律的那个时代。那个时候的人们是如何理解“力”这个概念呢？彼时的物理学，万有引力的思想还尚未萌发，电磁相互作用的发现遥遥无期，更不要说强相互作用和弱相互作用了。人们所关注到的力，大部分都是弹簧的弹力、摩擦力、推力，这种类型的力...这些力，服从第三定律，在当时实际上是对实验的总结。也就是说，在那个时候，也没人真正知道究竟是为什么他们眼中的世界里“所有的力都符合第三定律”。
但是物理学经过了几百年的迭代已经脱胎换骨了，牛顿第三定律在相对论的情况下已经不恰当了，今日的理论物理学基础中也已经抛弃了“力”这个概念，所有的相互作用都通过粒子传播。而这些在不同物体之间传播相互作用的粒子，极其严格地服从动量守恒这一规则。一个物体损失了多少动量以释放出一个粒子，另一个物体严格的从那个被释放的粒子中获得相等的动量，两个物体组成的子系统在相互作用中保持总动量守恒，从这个原理可以推导出牛顿第三定律。
物理学就这么转了一个圈，在牛顿三定律（和高中物理）的时代，动量守恒是牛顿第三定律的一个推论，而到了今天，牛顿第三定律是动量守恒在经典极限下的一个特例。
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