| 帮wbx.21的俞老师改改错，从伽里略开始—— 物理规律来源于物理现象，脱离物理现象谈论物理规律，就会产生任意性，就会制造出远离物理现象的“超自然”规律，这种思维创造物伽里略生产过，牛顿生产过，爱因斯坦也生产过，你的俞老师和本论坛的某些先生也生产过，本论坛争论的焦点之一就是爱因斯坦生产的“超自然”规律正确与否，与有关物理现象的关系等等。客观世界只有一个，关于这个客观世界的反映和描述却可以有许多，其中有忠实客观事实的，有远离客观事实的，还有与客观事实风马牛不相及的思维编造物，大家正在各自拿着自己的或别人的反映和描述混战不停！就此，我发表点自己的看法，既帮助你的俞老师改改错，从伽里略开始，也供你和各位朋友参考。 在客观宇宙中，任何物质都有多种可认识性质，这是物质能够被人们认识到的原因所在。在物质的运动变化和相互作用过程中，物质的各种可认识性质之间存在着相应变化关系，例如在人的成长过程中，人的五官形态、身高、体重和皮肤状态等可认识性质之间就存在着相应变化关系。在物理学中，通常人们所说的物理规律，实质上就是人们对物质的多种可认识性质的相应变化关系所作的语言文字描述，或数学形式的定量描述（这里所说的物理规律包括物理定律、物理原理、物理定理和物理公式等等）。 应该指出的是，同一物理规律无论是用语言文字表述还是用数学形式表述，所描述的都是物质的各种可认识性质之间的相应变化关系。二者的区别在于用语言文字形式表述物理规律比较形象具体，但这要使用很多语言或文字，而且对物质的各种可认识性质之间的定量关系反映不足。用数学形式表述物理规律时，可以使用若干代表字母的数学组合定量地反映物质的各种可认识性质之间的量值关系，这种数学形式非常简洁，但也比较抽象。 对于物理规律的数学形式，往往只有内行人能看懂它的含义，但是，如果一个物理规律描述的是一个客观存在的事物，它就应该能被转换成语言文字形式，因为对于一个客观存在的事物，人们总能使用适当的语言文字作出表述。 在许多情况下，物理规律的数学形式都是相对一定的物理参照系建立的，在这里，物理参照系提供了有关物理量的量值基准、量值单位和测量方法等等。相应于有关的物理量选用不同的计量单位和测量方法，物理规律的数学形式是有所差别的。在物理学中，最常见的物理参照系就是由直角坐标系、时钟和量尺组成的运动参照系。可以说，其它种种物理参照系几乎都是以运动参照系为基础组建的。 物理规律是人们从具体的物理现象中归纳出来的，物理规律反映了在物质的运动变化和相互作用过程中，物质的各种可认识性质之间存在的相应变化关系。反过来，人们也可以把物理规律应用于具体的物理现象，对物质的各种可认识性质之间存在的相应变化关系作出定量描述。例如一个汽车相对地面匀速运动时，汽车的时间性质与空间性质之间存在着相应变化关系，使用速度公式就可以对汽车的时间性质与空间性质的相应变化关系所作出定量描述。又例如一个带电粒子在磁场中运动时，带电粒子的电量、带电粒子的运动速度、磁场的磁感应强度、带电粒子所受的磁场力之间存在着确定的定量关系，使用洛仑兹力公式就可以对带电粒子的电量、带电粒子的运动速度、磁场的磁感应强度、带电粒子所受的磁场力之间的确定关系作出定量描述。 那么，相对静止或匀速运动的两个参照系的观察者研究“相同”物理现象时，两个参照系的观察者对“相同”物理现象所作的描述，或者说两个参照系的观察者描述“相同”物理现象所用的物理规律具有什么样的关系呢？这个问题是物理学的一个非常重要的问题。 根据物理规律的本质可以说，相对静止或匀速运动的不同参照系的观察者研究“相同”物理现象时，如果两个参照系的观察者面对的物理现象完全相同，则两个参照系的观察者描述完全相同物理现象所用物理规律的语言文字形式，以及数学形式也完全相同。对于本书的这个说法，我们可以简称为“新统一性原理”；如果两个参照系的观察者面对的物理现象并非完全相同，则两个参照系的观察者描述并非完全相同物理现象所用物理规律的语言文字形式，以及数学形式也并非完全相同。对于本书的这个说法，我们可以简称为“新相对性原理”。我们在这里把本书的上述两个说法分别简称为新统一性原理和新相对性原理，目的是与物理学中原有的有关说法相区别。 7.3.2 伽里略相对性原理的局限性 在物理学中，有一个伽里略相对性原理，它所讲的事情就是与本书的新统一性原理和新相对性原理有关的事情。关于伽里略相对性原理，在物理学中共有如下几种说法。 伽里略相对性原理的第一种说法是：在平静的水面上有两条船，一条船静止在水面上，另一条船在水面上作匀速直线运动，在两个船上分别有物理学研究者和力学实验设备，在上述情况下，静止船和运动船上的研究者所做的任何力学实验结果都相同。这也就是说，如果不是通过观察静止船和运动船与河岸之间的相对运动关系，两个物理学研究者是无法通过力学实验确定自己的船与河岸之间是相对静止还是相对运动的。 伽里略相对性原理的第二种说法是从第一种说法概括出来的更一般的说法，它的内容是：在相对匀速运动的惯性系，力学规律具有相同的数学形式。这里所说的惯性系所指的是不受任何外界作用的力学参照系，这是一种理想情况，在实际情况中是不存在不受任何外界作用的力学参照系的。 根据新统一性原理和新相对性原理可以说，伽里略相对性原理的第一种说法在今天的认识水平和实验能力下已不再是一种正确的说法。 例如让静止船和运动船的物理学研究者做相同的力学实验，让两个物理学研究者都使用较精密的实验仪器多次测量重力加速度，在今天人们已经认识到，在地球表面通过力学实验测量重力加速度时，实验测得的重力加速度的量值与实验所在地的地质结构是密切相关的，对于静止船而言，由于静止船静止在地球表面的某一点上，该处的地址结构是相对稳定的，因此，静止船上的物理学研究者多次测得的重力加速度将是一个近似恒定值。在此情况下根据物理学的有关认识，静止船上的物理学研究者应该能判断出此时他的船是静止在水面上的，也就是静止在地球表面的某一点上。对于运动船而言，由于运动船在地球表面上不断地移动，相应于此，运动船下的地址结构也是不断变化的，因此，运动船上的物理学研究者多次测得的重力加速度将是不断变化的量值。在此情况下根据物理学的有关认识，运动船上的物理学研究者应该能判断出此时他的船是在水面上作匀速直线运动的。也就是在地球表面上不断地移动位置。这也就是说，在目前的认识水平下，伽里略相对性原理的第一种说法已不能再成立。 当然，在当时的认识水平下，如果人们不知道通过力学实验测得的重力加速度的量值，是与实验地的地质结构密切相关的，或者静止船和运动船的两个物理学研究者测量的重力加速度的量值差别不大，那么，静止船和运动船的两个物理学研究者是可以认为他们测得的重力加速度是相同的，在这种情况下，静止船和运动船的两个物理学研究者是可以认为他们所做的任何力学实验都相同，并且无法通过力学实验来确定自己的船与河岸之间是相对静止还是相对运动的。 根据新统一性原理和新相对性原理可以说，伽里略相对性原理的第二种说法对于某些具体情况是正确的，对于另一些具体情况则是不正确的。 一般地讲，由于物理规律描述的是物质的多种可认识性质的关系，因此，在两个相对匀速运动参照系的研究者研究相同物理现象的情况下，两个参照系的研究者面对的物理现象相同程度将决定他们描述物理现象所用的物理规律的相同程度。在两个相对匀速运动参照系的研究者所研究的物理现象完全相同的情况下，两个参照系的研究者描述相同物理现象所用的物理规律也完全相同。在这种情况下，可以说伽里略相对性原理的第二种说法是正确的。在两个相对匀速运动参照系的研究者所研究的物理现象有所不同的情况下，两个参照系的研究者描述有所不同物理现象所用的物理规律也有所不同。在这种情况下，可以说伽里略相对性原理的第二种说法就不再是正确的。 特别应该指出的是，说两个参照系的研究者面对的物理现象相同与否，应该看两个参照系的研究者面对的物理现象的本质相同与否，而不能仅仅看物理现象的表面相同与否。而这个本质相同与否既与物理现象的主体有关，也与物理现象与环境的相互关系有关。例如在伽里略相对性原理第一种说法的情况中，如果把静止船和运动船都从所处的环境中割裂出来，那么从表面上看，静止船上观测者所做的测量重力加速度的力学实验，与运动船上观测者所做的测量重力加速度的力学实验是相同的。但是如果考虑到静止船和运动船它们与环境的相互关系，那么从本质上看，静止船上观测者所做的测量重力加速度的力学实验，与运动船上观测者所做的测量重力加速度的力学实验却是不相同的。在静止船上，物理学研究者面对的物理现象是测量重力加速度的力学实验仪器在地球表面的某一点上静止，测量重力加速度的力学实验仪器与环境之间的相互作用是稳定的。在运动船上，物理学研究者面对的物理现象却是测量重力加速度的力学实验仪器在地球表面上不断地运动，测量重力加速度的力学实验仪器与环境之间的相互作用是不断变化的。在这两种情况下，由于两个参照系的物理学研究者面对的物理现象有所不同，因此，他们描述不同物理现象的物理规律也应有所不同。 应该顺便指出的是，所谓的惯性系是指不受任何外界作用的物理参照系，由于在实际情况中根本不存在不受到其他物质作用的物质或事物，因此，所谓的惯性系实际上是不存在的，这也就意味着，伽里略相对性原理的第二种说法实际上是针对思想世界中的理想情况而言的，而非针对客观世界的实际情况而言的。因此，把伽里略相对性原理的第二种说法这种理想情况落实到实际情况中，也就是在伽里略相对性原理的第二种说法能够近似成立的情况下，也是应该具体问题具体分析、具体问题具体对待的。 以上发言摘自《智胜爱因斯坦》第六章。本书网络版目前在http://eshu.myetang.com/E书备份/科普哲学 |