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说说相对性原理：（一）相对性原理简介 说明：黄德民版主以及其他多个网友已经发表贴子或者写书以澄清相对性原理的内容，并纠正可能的错误理解；相信无忧仙人在这里准备讲的，不少内容会与他们所说的重复。但是另一方面，由于各人思考问题的角度不同，对同一内容的表达方式也未必相同，所以我们有理由认为这种风格的多样化会让更多的网友受益。正是基于这个想法，无忧仙人决定将自己对相对性原理的研究与理解系统地与网友分享。虽然贴中的主要论点与论据均来自公开发表的文章，但是任何有关它们的理性而严谨的交流与探讨都是随时受欢迎的。 （1）相对性原理是说什么的。 相对性原理，又称相对运动原理，它是描述不同惯性参照系内物理现象之间关系的原理；而惯性参照系，简称惯性系，也就是做匀速直线运动的参照系。惯性系，在理论上对其定义不难，但是要正确地应用于现实实际并非如想象的那么简单，原因就在于现实世界几乎毫无例外地偏离我们的理想模型。但是，这还只是"惯性系"这一概念的问题之一；就相对性原理的研究目的来说，参照系的定义还存在更严重的问题，我们稍后将更加细致地对此予以说明与探讨。 从前面的表述中我们可以看到，相对性原理所关心的实质上是运动状态对物理现象的影响，或者更准确地说是匀速直线运动对物理现象的影响。比如它关心海上停泊的渡轮内部与做匀速直线航行时的渡轮内部其物理现象是否相同的问题。 请注意，我们这里所说的物理现象实质上是指的物理规律，是物理实验或观测条件与试验或观测结果之间的内在联系，不是单纯的实验或观测数据本身。换句话，"现象"因为表面上只涉及一个元素容易让人误解，而"物理规律"因为同时牵涉实验条件与实验结果两个元素以及二者潜在的联系而无此缺陷。事实将证明，我们的这个澄清不仅非常有益，而且完全必要。 （2）相对性原理有哪些等价表述。 当我们深入探讨相对性原理时，就会发现它有多种等价表述，这些等价表述源于我们探讨这一问题不同的视角。比如，我们可以从物理规律在不同惯性系内是否相同的角度看问题，也可以从运动的相对性来看它；可以从优先参照系的存在与否来探讨，也可以从匀速直线运动在惯性系内部的可探测性角度来考察它。不难发现，从不同角度对相对性原理的描述是有联系的，总结如下： 相对性原理的等价表述。 以下所有命题在物理上是等价的，它们中的每一个都可以用来刻划相对性原理： （2a）在所有惯性参照系中物理规律都是一样的，也就是说，当我们考察问题的视角从一个惯性系切换到另一个惯性系，只要我们保持其它物理实验条件不变，那么我们将可以预期到相同的实验结果（注1）。 （2b）匀速直线运动将不会产生任何可以探测的物理效应，前提是所用的物理实验必须完全限制于该运动的惯性系之内（注2）。 （2c）运动纯粹是相对的，也就是说，针对每一个惯性系我们都可以构造这样一个物理场合，在这个场合中两个相互矛盾的物理观测量对应于同一种相对运动状态（注3）。 （2d）不存在这样绝对优先的惯性参照系，相对于这个参照系所有匀速直线运动都可以通过物理观测量以完全相容的方式来定义。 （3）相对性原理有何特别之处。 首先，既然相对性原理探讨的是惯性系内的物理规律，那么非匀速直线运动对物理规律的影响便不是它的研究对象。当然，这并非排除某些物理规律在非惯性系内仍然成立，只是这种情况不在它的研究范围而已。 其次，如果我们把相对性原理也理解为一种物理规律，那么我们要说，相对性原理的特别之处在于它是关于物理规律的规律，因为它关心的是物理规律是否受运动状态的影响。正是由于它的这种抽象性和特殊性，使包括爱因斯坦在内的众多物理学家误解了它。 最后，相对性原理的独特内容决定了它只可能被证伪，而不可能被直接、完全地证真，从这个意义上说，它将永远是一种假定而不是得到完全实验证实的真理。这是因为，相对性原理关注的不是哪一个具体物理规律，而是所有可能的物理规律的全部；既然任何时候人类无法简单断言它们已经穷尽了所有的物理规律，所以，以物理规律为关注对象的相对性原理也就无法被肯定已经得到了完全的实验验证（所以交流时我们一般先交代是关于哪个或哪些物理规律的相对性原理，如是关于经典力学，还是关于电磁学、光学等等）。但是尽管如此，相对性原理对指导人类的科学实践仍有重大意义。稍后我们将以具体例子进行说明。 （4）相对性原理出了什么问题。 按照无忧仙人这里的解释，相对性原理没有出任何问题，而出问题的是某些人的思维方式；这些人因为错解了有关的物理概念，如物理规律、参照系等等，所以没能把握住相对性原理的实质，并因此错解了相对性原理。然后一些追随者再以讹传讹，把错误的理解当做正确的东西。所以到头来害得大家不是去批评错误的理解，而是去批相对性原理自身。所以，做科学研究，不可不慎。 （5）狭义相对论中的相对性原理是爱因斯坦的发现吗。 不是的，经典力学的相对性原理是伽利略和牛顿的成就，而扩展到电磁学与光学的相对性原理是数学家庞加莱（声明：无忧仙人对数学家没有偏爱：-））的贡献。有证据表明，爱因斯坦沿用了庞加莱的结果但是却没有给予他相应的荣誉与功劳（我们知道，学术界对此种行为有一个专门术语来描述：-）），遗憾的是，爱因斯坦的转述虽然正确，但是他的理解却出了错误。不过坏事也能成为好事，因为我们中国的科学家无疑将会做得更好。 注1：这样表述的相对性原理必然排除不正确的观察者-光源完全对称性；原因稍后解释。 注2：对于封闭的惯性系来说，"物理实验完全限制于该运动的惯性系内"不难理解，那么对于像ECI这样的非封闭惯性系，以上限制该作何理解呢？我们稍后再对此进行说明。 注3：这个表述清楚地告诉我们，为什么以相对运动为基础进行物理预测的狭义相对论是错误的，以及它为何不能正确反映现实。 下一个贴子，说说相对性原理：（二）究竟有哪些人对相对性原理有贡献。 ~无忧仙人 |