答【60楼】 xhj2013 先生:
你问:“这样的惯性运动和机械能守恒定律有什么内在联系?”我愕然,难道会有什么宏观运动和机械能守恒定律没有内在联系?! 你又断言:“只有引入了势能,才有可能机械能守恒。” 我又愕然,难道会有人不知道宏观的动能和势能之和,叫做机械能?势能需要引入吗? 希望xhj2013 先生千万不要“不多说”,更不要“无语”,碰到我这个“不明白物理概念的内在逻辑”的人,你就应该多说几句,你怎么着都应该让我明白明白。 |
答【60楼】 xhj2013 先生:
你问:“这样的惯性运动和机械能守恒定律有什么内在联系?”我愕然,难道会有什么宏观运动和机械能守恒定律没有内在联系?! 你又断言:“只有引入了势能,才有可能机械能守恒。” 我又愕然,难道会有人不知道宏观的动能和势能之和,叫做机械能?势能需要引入吗? 希望xhj2013 先生千万不要“不多说”,更不要“无语”,碰到我这个“不明白物理概念的内在逻辑”的人,你就应该多说几句,你怎么着都应该让我明白明白。 |
再接31楼:
王普霖先生用客观事实否定了‘地面参考系’O-XYZ中以匀直的‘绝对速度差’v运动的物体是“惯性系”,这是革命性的进步,但还美中不足,就是在运动物体上保留着‘坐标系’;请问,已有了‘参考系’,保留着‘坐标系’有何用? |
接64楼:
须知,‘运动坐标系’就是“相对性惯性系”!所以你用‘运动坐标系’来否定“相对性惯性系”就像踩着盖子揭盖子。 |
请费邦镜 仁兄来评评我65楼。 否定了“相对性惯性系”,就可用一个独立性‘参考系’O-XYZ了,你也就摆脱了被爱氏牵着鼻子的思路,不用再荒谬的在“相对性惯性系”上去对钟了。 |
王普霖、陆道渊两位先生:看来我们三人仅仅对“相对于惯性系作匀速直线运动的伽利略大船不是一个真正的惯性系”这一点取得了共识,其他方面的认识不尽相同,不要着急,慢慢磨合吧。
我已经在构思相关的论文,请给我一些时日。 |
必须破除对伽利略相对性原理的迷信 上海金标软件有限公司 费邦镜 2014/05/22 目录 一、 爱因斯坦对伽利略相对性原理是如何定义的? …………………………… 1 二、 伽利略相对性原理得到过严格的论证吗? …………………………………… 1 三、 坐标系相互之间如何运动,并不决定力学定律在其中是否有效 ………… 2 四、 牛顿熟知伽利略相对性原理,为何仍要提出绝对空间和绝对时间? …… 2 五、 牛顿力学赖以成立的“绝对空间”能通过水桶实验找到吗? ……………… 3 六、 “绝对空间”与引力理论和宇宙图像有矛盾吗? ……………………………… 4 七、 被找到的“绝对空间”,竟然还能简明地解决其他悬疑问题! ……………… 5 1、惯性力有没有反作用力? 2、“光以太”存在吗? 3、为什么对于行星运动的描述,太阳坐标系比地球的要好得多? 4、为什么自由落体的升降机上,力学定律很有效? 八、 牛顿第一定律的缺陷,支撑着伽利略相对性原理 …………………………… 7 九、 为什么笔者在以上的全部论述中,始终回避“惯性系”这个名词? …… 8 十、 总论 …………………………………………………………………………………… 8 参考文献 ……………………………………………………………………………………… 9
一、爱因斯坦对伽利略相对性原理是如何定义的? 请注意,本文思辨的是爱因斯坦本人所定义的伽利略相对性原理:“假使力学定律在一个坐标系中是有效的,那么在任何其他相对于这个坐标系作匀速直线运动的坐标系中也是有效的。……假使有两个坐标系,相互作不等速运动,则力学定律不会在两者之中都是有效的。”[1] 其他人改述的伽利略相对性原理,许多与此并不等价,不能相提并论。
二、伽利略相对性原理得到过严格的论证吗? 其实,伽利略本人并未提出过这一原理,他只是在《关于两个世界体系的对话》中详细地描述了在匀速航行的大船中所观察到的力学现象,诸如水滴的下落、蝴蝶的飞行、扔物、跳远等等,都如同大船停航时一样,你无法从其中任何一个现象来判断大船是在运动还是不动。 历史上,是惠更斯首先把这些力学现象所体现出来的思想称为伽利略相对性原理,并把它看成力学的基本规律。[2] 爱因斯坦则为了狭义相对论的需要,进一步将其推广到适用于全部物理定律。 哈佛教科书《力学引论》评价:“在古典力学的发展过程中,相对性原理所起的作用不大;爱因斯坦却把它誉之为动力学的根本原理。”[3] 那么,伽利略相对性原理成立的依据是什么?其物理本质又是什么?其实我们一点都不清楚!在每一本相关教材上所能查证的,也就仅仅是伽利略所描述的大船上的这些粗略的力学现象。虽然没有经过任何的论证,但我们每一个人都凭着曾经有过的“舟行不觉”的亲身感受,非常自然地认可了这一原理。 然而,在科学史上,人类单凭直觉经验而走过的弯路,难道大家都忘了? 例如,伟大的思想家亚里士多德主张,物体的运动需要一个持续的推动力,这非常符合大家的生活经验,再加上对权威的迷信,使得亚里士多德的这个错误思想统治了力学两千年之久,直到伽利略总结出惯性思想。 再如,我们的祖先,坐地观天,地球当然是宇宙的中心,天上的日月星辰当然都围绕着不动的地球运转,眼见为实嘛,因此,当托勒密继承了亚里士多德的地球是不动的宇宙中心思想,并概括了希腊天文学的全部成就,创立了托勒密体系之后,人们恭顺地接受了“地心说”。于是,错误的托勒密体系统治了天文学一千三百多年,直到哥白尼的“日心说”提出挑战。 鉴于上述教训,无论伽利略相对性原理是不是类似情况,我们都有必要对该原理进行一番严格的考证和思辨。 (一) (请勿跟帖,待续) |
三、坐标系相互之间如何运动,并不决定力学定律在其中是否有效 首先,力学定律在固定于地球的坐标系中是非常有效的,不然,伽利略、牛顿等科学家,怎么可能在地球实验室中,归纳、总结出力学定律呢? 其次,爱因斯坦承认:力学定律在关联于太阳的坐标系上,比在关联于地球的坐标系上更有效。[4] 再次,我们都很熟悉自由落体的升降机,爱因斯坦确认,力学定律在升降机上和在地面上一样有效。 够了,只要看看地球、太阳、自由落体升降机这三个坐标系,它们相互之间并非作匀速直线运动,但是力学定律在它们之中却都非常有效,这就有力地否定了爱因斯坦根据伽利略相对性原理作出的断言:“假使有两个坐标系,相互作不等速运动,则力学定律不会在两者之中都是有效的。” 况且,力学定律竟然能在飞行姿态如此复杂多变、速度如此惊人的地球上被发现,难道有谁能指出“地球坐标系是在相对于哪个坐标系作匀速直线运动”吗?哪怕是误差大一点也行。……?很显然,根本不存在这样的坐标系。 可见,坐标系本身如何运动,坐标系相互之间如何运动,都不是决定力学定律在其中是否有效的根本原因。 因此,主张不要迷信伽利略相对性原理,并非无稽之谈。
四、牛顿熟知伽利略相对性原理,为何仍提出绝对空间和绝对时间? 在惠更斯把伽利略相对性原理看成力学的基本规律,运动的相对性已得到普遍认可之后,牛顿为什么仍然要提出关于绝对运动以及相应的绝对空间和绝对时间的观点呢? 笔者认同华东师大朱鈜雄教授的分析: “牛顿……觉得……前人关于时空的一些观点……需要在理论上作出概括和提升。……此外,牛顿作为公理提出的三大运动定律也必须在一个特定的以绝对时空观为理论基础建立的‘绝对参考系’中才能成立。……牛顿承认,在运动学方面,一切运动都是相对的;但是在动力学方面,他主张,必须把一个‘绝对参考系’放在逻辑的优先地位上,才能按照他的公理来分析运动。” [5] 爱因斯坦也认为,“牛顿引入绝对空间,对于建立他的力学体系是必要的”,“人们要想给力学以清晰的意义,在当时没有别的办法。”[6] 可见“绝对空间”对牛顿力学至关重要,是必须的,是不可或缺的。“绝对空间”就是牛顿力学赖以成立的“绝对参考系”。 可惜,牛顿本人终身未能找到绝对空间,其后的科学家们也一直没找到绝对空间,以致爱因斯坦讥讽:“全部经典力学就等于悬在半空中,因为我们不知道它属于哪个坐标系”[7] ,“我们有定律,但是不知它们归属于哪一个框架,因此整个物理学都好像是筑在沙堆上一样”。[8] 时至今日,难道我们还要继续容忍这样的讥讽吗? 笔者认为,牛顿当初为这个绝对参考系选取了一个特别不好的名称,非常容易让人产生误解,误以为“绝对空间”就是空无一物的虚空。不过,我们也必须谅解牛顿,在他那个年代,这个绝对参考系只能是“空无一物”。 如今,电磁场、引力场这一类非分子原子构成的、无形的特殊物质,就和我们“所坐的椅子一样的实在”(爱因斯坦语),我们寻找“绝对空间”应该比牛顿有更广阔的视野。
五、牛顿力学赖以成立的“绝对空间”能通过水桶实验找到吗? 为了能感知自己引入的“绝对空间”,牛顿设计了一个著名的“水桶实验”:绳子上吊有一桶水,让桶做旋转运动。开始时水未被桶壁带动,桶转水不转,水面是一个平面。不久,水逐渐被桶壁带动而旋转,直到与桶以同样的角速度旋转,此时水面呈凹形。然后,让桶突然停转,水面仍保持凹形。 牛顿认为:“水面的形状与水和桶的相对转动无关。水面呈凹形是由于受到惯性离心力的结果。惯性离心力的出现……与绝对空间有关,惯性离心力产生于水对绝对空间的转动。……通过水桶实验,牛顿有力地论证了绝对空间的存在。”[9] 然而,“绝对空间”究竟是什么?又在哪里呢?谁也不知道。 复旦大学郑永令教授等合著的《力学》(第二版)第94页上有一道关于水桶实验的例题,笔者隐约觉得,该例题的答案已经给了我们暗示。 请看该例题:“一水桶绕自身的竖直轴以角速度ω旋转,当水与桶一起转动时,求水面的形状。”解答步骤是,先以液面中心为原点建立z、r坐标,对横坐标为r的液面微团进行受力分析,推导得 z=ωωrr / 2g ,此为抛物线方程,故液面为旋转抛物面。 该等式显示,旋转的水面呈凹形的唯一外因是地球引力场强度g,这就可以理解为旋转的水面呈凹形是因为水相对于地球引力场以角速度ω旋转。 如果把地球的引力场看成是水桶实验的绝对空间,那是何等的简单、明快!不妨就让我们沿着这一思路,看看能不能走得更远。 马赫否定牛顿“绝对空间”的理由是:“不存在绝对空间。转动不是绝对的,而是相对的。产生惯性离心力是水相对于全宇宙物质(遥远星系)转动的结果,……惯性起源于全宇宙所有物质施加的综合影响。”[10] 爱因斯坦对马赫的这个思想推崇备至,称其为马赫原理。 那么请问,马赫的“全宇宙物质”是通过什么作用于水的呢?难道不就是“引力场”吗?水桶周边的这个引力场难道不就是全宇宙物质所产生的引力场“叠加”而成的吗?“惯性”难道不正是起源于这个引力场对水所施加的影响吗?牛顿只不过是一时无法说出这个“绝对空间”究竟是什么罢了。马赫与牛顿的观点有什么本质区别呢?当然没有! 有人会说且慢:既然“水桶周边的这个引力场是全宇宙物质所产生的引力场叠加而成的”,那么为什么z=ωωrr / 2g等式中仅含地球的引力场强度g,而不含太阳和其他远域物质的引力场强度呢?问题非常深刻且重大。但答案却非常简单:因为太阳对地球的引力,已被地球绕日转动而消耗殆尽;其他远域物质对太阳的引力,已被太阳绕银河中心的转动而消耗殆尽。这就是“远域的物质似乎与本域的惯性没什么牵连”的原因。 笔者从此以后,将把“决定本域物体惯性的引力场”称为“本征引力场”。“本征引力场”就是牛顿梦寐以求的“绝对空间”,也就是牛顿力学的绝对参考系。“惯性”正是起源于物体相对于“本征引力场”的加速。 你看,“本征引力场”居然把牛顿和马赫对于水桶实验的对立观点协调、统一起来了,重大的“惯性起源”问题竟然如此简单地解决了,牛顿力学从此也有了一个可靠的绝对参考系,再也不是“悬在半空中”、“筑在沙堆上”的学说了。若牛顿地下有灵,一定会感到非常的欣慰。 (二) (请勿跟帖,待续) |
六、“绝对空间”与引力理论和宇宙图像有矛盾吗? 目前主流物理学界普遍认为“牛顿的绝对空间与引力理论和宇宙图像矛盾:夜黑(奥伯斯)佯谬和引力(纽曼-希林格)佯谬。”[11] 所谓引力佯谬是指:宇宙中任一有限区域的物质(质量有限)将被区域外的物质(质量总和为无限大)所吸引,有限区域内的物质无法依靠自身的引力收缩成星体。——豆丁网。 其实,上一章笔者解释“为什么z=ωωrr / 2g等式中仅含地球的引力场强度g”的理由同样可以解释引力佯谬:尽管宇宙中无数颗恒星的引力之和为无限大,但是,各天体的运行已把它消耗掉了,其“综合影响”不是无限大,决不会把某一星体撕得四分五裂。 笔者还要提醒,宇宙空间各处的引力场强度一般是不均等的,因此,全宇宙不存在统一、均匀、平直的绝对空间,所有的绝对参考系都是局域的。 所谓夜黑佯谬是指:如果宇宙是无限静止的和均匀的,那么观察者每一道视线的终点必将会终结在一颗恒星>上。那么不难想象,整个天空即使是在夜晚也会象太阳>一样明亮。——360百科。 以往普遍认为“绝对空间”无法解释夜黑佯谬,那是因为大家把绝对空间看成是统一、均匀、平直的了,一旦认识到“绝对空间”不统一,不均匀,且始终在运动,那么夜黑佯谬的前提还存在吗? 真想不到,“绝对空间”与引力理论和宇宙图像竟然没有矛盾。 现在,让我们趁胜前进,扩大战果。
七、找到的“绝对空间”,竟然还能简明地解决其他悬疑问题! 1、惯性力有没有反作用力? 几乎每一本物理教科书都断言:惯性力是虚拟力,其特点是“不起源于物质之间的相互作用,因而没有反作用力”,但是,一些思想深刻的学者,如北师大物理教授赵峥、刘文彪等人则认为,这个“特点至今仍然使人感到迷惑”。[12] 根据上一章“惯性正是起源于物体相对于本征引力场的加速”这个结论,当然就有:惯性力是本征引力场对加速物体施加的力,其反作用力必然是加速物体对本征引力场施加的力。由于引力场这种物质是无形的,所以我们很难表述其受力点在哪里,这有待进一步的研究。 这符合牛顿第三定律和马赫的惯性力起源于物质间的相互作用思想。[13] 2、“光以太“存在吗? 尽管爱因斯坦否定光以太的存在,但我们都坚信,每一个关于运动的陈述都必然包含着一个物理的参考系,我们只能相对于其他物体来量度位移和速度。根据上一章的论述,既然本征引力场是牛顿力学的绝对空间、绝对参考系,那么光波作为一种运动,引力场为什么不可以是光波的绝对参考系呢?换言之,引力场为什么不可以是光以太呢?现在就让我们看看,用引力场就是光以太的观点,能否驱散那朵“物理学上空的乌云”。 关于迈克尔孙-莫雷实验:既然引力场就是光以太,那么地球当然是完全裹携着自己的本征引力场在公转轨道上运行的,而迈-莫实验则是在地球本征引力场内进行的,所以不管在哪个季节,不管是白天黑夜,也不管实验装置的方向如何转动,不同方向的光速都是相对于地球本征以太而言的,都是“相等的”,测试不到预期的“以太风”是当然的。 关于斐佐流水实验:斐佐实验中的流水,无论是正向流,还是反向流,都不会改变光路中的引力场,因为质量分布没发生变化,所以,光路中的以太完全没有被流水拖动。“部分拖动”实质上是由于折射介质的运动所致,与以太并无关系。 关于洛奇转盘实验:该实验中的钢锯圆盘,无论多重,也无论怎样高速旋转,因为其质量中心并没移动,高速旋转不会造成引力场发生变化,所以根本不会带动以太,这与地球公转会带动以太并无矛盾(地球公转时质心发生移动)。 关于布拉德雷光行差观测:英国物理学家斯托克斯认为,“紧挨着地球的以太应当整个地同地球一起运行,围绕地球的以太云在地球沿轨道运动时为地球所完全裹携走。不过,这云的各层是以不同的速度在运行的:云层离开地球越远,它的速度就越小。”[14] 根据上一章“全宇宙不存在统一、均匀、平直的绝对空间,所有的绝对参考系都是局域的”观点,斯托克斯对光行差的解释完全说得通,与其他相关实验的解释毫无矛盾。 物理学上空的这朵乌云,竟然被引力场就是以太的观点,驱散得无影无踪。 且慢,一定有人已经看出了问题:既然圆盘旋转不能带动以太,那么,地球自转时其质量中心也几乎没变动,应该也不会带动以太,迈-莫实验就应该测出以太风,而不应该是零结果。目光果然犀利。 其实,迈-莫实验并非真正零结果,“Jaseja等(1964)用氦-氖气体激光器做了迈克尔孙-莫雷实验……‘以太漂移’的上限是0.95公里/秒,在所有已完成的迈克尔孙-莫雷型的实验中这个上限是最小的。”[15] 也就是说,迈-莫实验只能否定大于0.95公里/秒的以太风,地球公转的以太风确实能被明确否定。但地球自转的最大线速度(赤道处)只有0.464公里/秒,高纬度的地方,线速度将更小,所以迈-莫实验无法否定地球的自转不产生以太风。 可以预言,如果能设计出更高精度的实验,终将会测出地球自转的以太风。 一定立即有人指出,1972年Cialdea做的两莱塞实验给出的“以太漂移”上限只有0.0009公里/秒,难道不能否定地球自转的以太风吗?其实,这是对该实验结果的误解:两莱塞实验只是“观察干涉条纹的周日和周年变化”[16],仅仅能证实以太风昼夜变化的差异不大于0.0009公里/秒,而非以太风的绝对值不大于0.0009公里/秒,所以其并不能证明地球的自转不产生以太风。还有转动圆盘的穆斯堡尔效应等实验,也属同一类型。 3、为什么对于行星运动的描述,太阳坐标系比地球的要好得多? 这是因为,绝对参考系都是局部的,力学定律只有在各天体自己的本征引力场内才有效,行星是在太阳本征引力场内运行,只有参照太阳坐标系,行星的运动才遵循牛顿定律,对于行星运动的描述,当然参照太阳坐标系最好。而地面物体的运动,是在地球本征引力场内,当然参照地球坐标系最好。 4、为什么自由落体的升降机上,力学定律很有效? 这是因为,地球引力场对升降机的引力,已完全用来产生了升降机的自由落体运动,可以认为这一引力已消耗殆尽,所以,自由落体升降机的本征引力场,主要是由升降机本身的质量产生的。升降机上的物体,在升降机的本征引力场内运动,也就是在升降机的绝对参考系内运动,当然遵循力学定律。而且因为升降机的质量太小,本征引力场太弱,所以升降机内的物体几乎完全失重(相对于升降机)。 不仅仅在自由落体的升降机上和地球上,其实,在月球上,在一切自由飞行的天体(包括人造的飞行器)上,力学定律都非常有效,自转速度越慢,越有效。 有人一定会问,为什么“自转速度越慢,越有效”呢? 根据洛奇转盘实验可知,物体自转时,其质量中心并没移动,自转不会造成引力场发生变化,所以根本不会带动本身的绝对参考系。固定于自转天体上的坐标系,其本身并不是绝对参考系,天体自转的速度越慢,该坐标系与绝对参考系的误差就越小,其中的力学定律当然越有效。只有固定于无自转天体上的坐标系,才是绝对参考系,其中的力学定律才绝对完全有效。 地球是有自转的,地球实验室就不是绝对参考系,力学定律不是严格有效的。可以预言,在月球实验室内,力学定律将比地球上有效得多,因为月球自转比地球自转慢得多(地球自转是每天一周,而月球自转约每27.3天一周)。 上述这些悬疑问题能得到如此自然、简明、圆满的解答,让笔者越来越相信“引力场就是绝对参考系,就是绝对空间”这个观点是能够成立的。 (三) (请勿跟帖,待续) |
八、牛顿第一定律的缺陷,支撑着伽利略相对性原理 伽利略相对性原理排除了相对于绝对空间的绝对速度,也就排除了绝对空间在理论中的地位。相对性原理与牛顿的绝对时空观是根本对立的。 现今找到了本征引力场就是绝对空间,相对于本征引力场的运动就是绝对运动,这让牛顿的绝对时空观得到了完整的体现,应该说,这就意味着必须放弃相对性原理。 然而,令人疑惑的是,伽利略相对性原理竟然得到牛顿第一定律(按理应该属绝对时空理论)的支撑,“惯性定律说明静止与匀速直线运动都是物体在不受外力作用下,能不断维持下去的状态;相对性原理则说明在静止与匀速直线运动这两种状态中,力学定律是相同的。……这就揭示了力学中的静止状态与匀速直线运动状态的等价性。” [17] 可见伽利略相对性原理和牛顿第一定律是相互支撑的,难道为了放弃相对性原理还要否定牛顿第一定律吗? 当然不是否定,而是必须对牛顿第一定律中的缺陷进行修正。 牛顿在第一定律中,改变了伽利略提出的“物体会沿着水平方向永不停止地一直运动下去”的惯性运动的表述,但牛顿并未给出任何理由。如今找到了绝对空间,惯性运动应该是物体相对于引力场而言的,那么,惯性运动的状态就应该与引力场的分布有关。在地球本征引力场中,水平面就是一个等势面,物体在只受到平衡力的情况下,只能是保持静止,或沿等势面匀速运动,唯有这样,牛顿第一定律才符合机械能守恒定律。 据此,应把牛顿第一定律修正为:相对于其所处的引力场,每个物体都保持其静止或按原方向并沿等势面作等速运动的状态,除非有外力作用于它迫使它改变那个状态。 对牛顿第一定律进行这样的修正,其优越性是明显的: A、明确了牛顿第一定律的参考系是物体所处的引力场,而不同于原先那样没有明示,牛顿力学就不再是“悬在半空中”、“筑在沙堆上”的学说了; B、修正后的牛顿第一定律不再与机械能守恒定律相抵触; C、修正后的牛顿第一定律与伽利略的惯性思想保持一致。伽利略早就指出:“地球的惯性运动是圆周运动……。因此,伽利略的惯性原理,与笛卡尔的惯性原理或牛顿的惯性原理不同,必须把它称作为‘圆周惯性’原理。”[18] D、保持了牛顿的绝对时空观在牛顿力学中的一致性、完整性。 如此修正之后,在牛顿力学中,静止状态与匀速直线运动状态不再具有等价性,伽利略相对性原理就完全失去了支撑。
九、为什么笔者在以上的全部论述中,始终回避“惯性系”这个名词? 可能已经有人发觉,在笔者以上的全部论述中,始终回避着“惯性系”这个名词。情况确实如此,因为笔者认为“惯性系”这个概念有进一步厘清的必要。 牛顿本人从来没有提出过“惯性系”这一概念。牛顿认为,力学定律得以成立的坐标系是“绝对空间”,“绝对空间”才是力学定律的绝对参考系。 然而,牛顿及之后的物理学家,始终没能找到“绝对空间”,而叙述牛顿力学又无法不牵涉其参考系,因此,近代的物理教科书在讲述牛顿力学时,为避免“绝对空间”的提法,大都采用德国物理学家朗格在1885年(牛顿去世150多年之后)提出的惯性系概念。朗格定义:惯性定律在其中成立的参考系称为惯性系。[19] 这一定义非常明确和实用,“一给定参考系是否惯性系的问题就成为观察和实验的事情了。”[20] 惯性系概念从此被普遍认可和广泛使用。 然而,爱因斯坦为了给相对论铺平道路,把惯性系概念搞得越来越复杂,越来越玄虚,什么“惯性系定义存在逻辑循环”,什么“只有当某一粒子离开其他物体非常遥远时,它才有资格充当惯性系”,等等,不一而足。以致一方面,朗格的惯性系定义被否定(但爱因斯坦仍经常会借用这一定义),另一方面,虽然“狭义相对论的整个理论都建立在惯性系的基础上,但是我们却无法定义或找到一个惯性系。” [21] 真可谓“怎一个乱字了得”。 既然“惯性系”仅仅是“绝对空间”的替身,那如今找到了“绝对空间”(绝对参考系),大可不必非要还用“惯性系”这个名词。 因此,笔者在以上的论述中,始终回避惯性系这个概念,以免引起歧义和无谓的争论。
十、总论 综上所述,我们可以看到,修正了牛顿第一定律的缺陷之后,静止状态与匀速直线运动状态不再具有等价性,这就意味着,如果力学定律在一个坐标系中是有效的,那么在其他相对于这个坐标系作匀速直线运动的坐标系中并不是肯定有效的,伽利略相对性原理显然不能成立。 固定在地球上的坐标系也好,固定在伽利略大船上的坐标系也好,都只是地球绝对参考系(本征引力场)很好的近似。它们既不等价,也不平权。 伽利略变换,仅仅是这些近似的绝对参考系之间精度很高、很实用的坐标变换方法而已。
参考文献 [1] A.爱因斯坦、L.英费尔德,物理学的进化,上海科学技术出版社,1979,114。 [2] 郑永令 等,力学(第二版),高等教育出版社,2002,315。 [3] D.KLEPPNER 等,力学引论,人民教育出版社,宁远源 等译,1980,541。 [4] A.爱因斯坦、L.英费尔德,物理学的进化,上海科学技术出版社,1979,156。 [5] 朱鋐雄,物理学思想概论,清华大学出版社,2009,157。 [6] 赵凯华、罗蔚茵,力学(第二版),高等教育出版社,2012,86。 [7] A.爱因斯坦、L.英费尔德,物理学的进化,上海科学技术出版社,1979,113。 [8] A.爱因斯坦、L.英费尔德,物理学的进化,上海科学技术出版社,1979,155。 [9] 赵峥,相对论百问,北京师范大学出版社,2010,12。 [10] (同上) [11] 王顺金,物理学前沿—问题与基础,科学出版社,2013,159。 [12] 赵峥、刘文彪,广义相对论基础,清华大学出版社,2012,10。 [13] 赵峥、刘文彪,广义相对论基础,清华大学出版社,2012,11。 [14] В.И.雷德尼克,场,科学普及出版社,周昌忠译,1981,50。 [15] 张元仲,狭义相对论实验基础,科学出版社,1994,28。 [16] 张元仲,狭义相对论实验基础,科学出版社,1994,24。 [17] 林德宏,科学思想史,江苏科学技术出版社,2004,87。 [18] 安东尼.M.阿里奥托,西方科学史(第2版),商务印书馆,旭东译,2011,340。 [19] 高炳坤,探索惯性系,大学物理,2010. 29 (8)。 [20] A.P.弗伦奇,牛顿力学,人民教育出版社,郭敦仁译,1978,165。 [21] (同12) (全文结束,欢迎拍砖!) |
昨天终于完成了《必须破除对伽利略相对性原理的迷信》一文,本想新发一个帖子,但一直没发成功,不得已,只能在此跟帖。
从68楼到71楼,分4次完成。给读者带来不便,请谅解。 |
惯性力是什么?
它是作用在谁身上的力?牛顿定律中F=ma中的力F是物体所受合外力。这里并没有惯性力的影子。在所讨论的物体之外,施力者在界面上感受到一个反作用力。但此力不属于研究对象的受力。 |
因为咱们反对的相对论,其中就经常使用这些含糊不清的力学概念,建立起来相对论的。这其中最著名的等效原理就是混用这个惯性力和重力概念的。 |
牛顿桶的原解释是错误的,它和绝对空间的场并无什么关联。这个问题我很早就想说,鉴于这是比较简单的问题,一直没有说,趁费先生这个帖子,发表一点看法。
牛顿水桶在地面上旋转,呈现中心凹形并不是引力场所致,相反,引力场是抵抗这种变凹行为的。如果半桶水装在一个透明封闭的玻璃桶内,您将看到,在引力场小的地方,凹的程度更大。当在无引力场(或十分微弱)中旋转时,水会全部贴向侧壁,呈筒状。 这个事情要从头分析。首先,要分析水是如何旋转起来的。初始时,桶不转,水不旋转,水面是平的。当通转起来之后,水会滞后于桶慢慢转起来。这是因为水和桶之间具有黏滞摩擦,边缘的水逐渐被带动。水分子自身也具有黏滞性,就会把这种旋转带到中心。最终桶中的水会达到和桶一样的角速度。 水在旋转起来后,按惯性它应该沿切线运动,但是水桶壁不容它们出去,对水产生一个向心力,指向中心。中心的水要往外,外面的水要往内形成对水的挤压,于是水向桶壁上面延伸。就像一个圆气球,两面用夹板用力夹,会使球变扁,和夹板的接触面加大一样。又比如一个空气中悬浮的水珠儿,直径1厘米,您要是抡圆了巴掌去抽它,一定弄得满手都是水。 |
在一般不严格的场合,为了描述一些事物,可以使用惯性力,诸如离心力等,这样可以省事,大家也能理解。但是严格论述力学关系,则不应该使用它们。 |
费先生:牛顿第一定律表述没有缺陷。您如果承认牛顿第二定律是完全正确的,就一定要承认牛顿第一定律也是正确无缺陷的。牛顿第一定律是第二定律在F=0时的特例。
您说的:“牛顿在第一定律中,改变了伽利略提出的“物体会沿着水平方向永不停止地一直运动下去”的惯性运动的表述,但牛顿并未给出任何理由。”有待商榷。 这里水平方向的限定完全没必要,牛顿第一定律表述的是一种理想状态,在该状态中没有受到外力或所受合外力为零,这个外力也包括引力。 等势面并不能提供合外力为零。地球的等势面是地球的同心面,比如卫星,在等势面上运动,它并不能继续保持运动方向不变,而是改变了。在做圆周运动时,虽然没损失能量,但始终有一个向心加速度。它的运动方向在每时每刻都在改变。而促使它改变运动方向就是等势面上的重力,这是受合力不为零的表现。 您的第八章的观点存在很大有争议性。 |
在等势面上做自由下落的物体(如人造地球卫星、太空舱)其所受重力并不能和并不存在的“惯性力”中和掉。人在其中失重实质上是失支持。我已有专题论述。 |
以下这篇关于惯性力的论述主题发表三次均被小精灵拦截。背后是否有人使用这些文章却不得而知。我已经发于科学网,防止被窃取。
牛顿第二定律F=ma,F是物体所受合力。物体受力会给施力者一个反作用力,反作用力由于不在讨论对象范围内,这里不予讨论。物体在任何情况下也不会产生一个“惯性力”作用于自身,这是每一个聪明的物理研究者这都应该深刻理解的。 物体受合力加速或受合力为零静止,宏观现象是一样的,但是微观上是有区别的。我们要了解物体受的力是哪种形式的力,不同的力作用后有何不同。 均匀场力、有心场力 无限大平行板电容器之间的电场是匀强电场。匀强电场是一种匀强力场。在匀强电场中带电物体所受的电场力是匀强场力。重力或点电荷形成的场是有心力场。有心力场的强度随距离变化的,它是非匀强力场。在地面上比较小的高度范围内,这种变化不是太显著。因此有时会把势能写成mgh,取一段近似线性代替积分运算,这也是实用的。 从力的作用点区分力 场力的一个共同特点就是它能将力直接作用到受力物体的每个分子、原子上。电场力和重力都是这种力。 机械力不是场力。 一般机械力加速物体,有推或拉两种基本模式。它们有一个共同特点就是施力处处于物体的局部。力是通过受力点的分子、原子将力逐步传递到整个物体的。这就在物体内部产生一个力的差别。比如我们推一个在光滑平面上质量为m的箱子,我们为了分析,把箱子在水平运动方向分割成10段,每段质量为m/10。物体受力加速,整体产生加速度a。物体受外力F1=ma作用在第一段箱子上,第一段箱子把力传递给第二段箱子F2=(9m/10)a,传递到最后一个段上,只有F10=(m/10)a了。这就在加速物体中产生了力的梯度,是局部受力引起的一种不均匀受力。 负重的感觉 站在升降机中的人也可以被分成N段,人在地板的支持力下静止或向上加速,都有一个力的梯度存在于人体的各段,脚底和地板之间力最大,头皮处受力为零。这种力的梯度使人感觉到负重,而且感觉受力最大处也是脚下。人平躺下就会觉得轻松,是有效段数减少了,力的梯度减小了的缘故。在无重力的太空中向上加速升降机,加速力也要从地板向上传递,依然产生了一个力的梯度,人可以感觉到负重或超重。 由此可见,人感觉到负重,并不是因为有重力场作用在身上,而是因为有局部支持力作用在身上,是局部受力产生了力的梯度所为。 失重的感觉 升降机在重力场中做自由落体运动时、在太空无重力(或非常微弱)场合时,里面的人都会产生失重的感觉。事实上,前者并没有失去重力,重力依然作用在人体上。失重的感觉来自于失支持,使得人体各段之间的力消失为零,力的梯度为零。 在重力场中,物体每个分子、原子都是同时受力的。在太空无重力场中向上加速的升降机里,并不存在一个向下的“惯性力场”。前面说了,产生的负重来自地板给的加速力,在人体上产生力的梯度引起的。 并不存在所谓的“惯性力场”和重力场等效。 把一个人均匀带上电荷,置于和地面平行的平行板电容器中,电场力方向相反抵抗重力。人悬浮在地面以上,此时电场力=重力。电场力和重力都是作用在每个细胞之上的,没有局部受力,没有力(暂不考虑内部电荷之间的斥力)和力的梯度产生于细胞之间。因此人也是感觉失重的。 在无重力场空间,把均匀带电人在电场中加速,由于各细胞受力相同,没有局部受力,没有力(暂不考虑内部电荷之间的斥力)和力的梯度产生于各细胞之间。因此人也还是是感觉失重的。人并不会因为加速度很大而有任何超重感觉。 前面的这些论述,我都曾在相关帖子中叙述过,在这里采用专题形式特别提出来供大家批判。加速中的物体并不会自身产生惯性力,更不会产生惯性力场。所有的这种感觉都是对梯度力的误判。而梯度力源于物体局部受力。 结论: 1、太空无重力场中非加速状态、有重力场中自由落体状态。都产生“失重”,原因在于失去了局部支持力,导致分子、原子之间传递的力及其力的梯度消失,和有没有重力没必然关系。 2、太空无重力场中加速状态、有重力场中静止状态。都产生“负重”,原因在于有局部支持力,导致分子、原子之间传递的力不为零、力的梯度不为零。这也和有没有重力场没必然关系。 3、物体加速中产生的“惯性力”并不存在。不存在一个同时作用于每个原子上的惯性力及其惯性力场。结论2已给出原因。 |
首先对王普霖先生说声对不起,你从73楼至80楼表达了不少观点,我一直没有及时与你讨论,主要原因是你的问题确实不易回答,很值得深思。 如今我完成了一篇新作《力学基础探疑12问》,正在最后纠错,大概近两天能贴到论坛。其中有部分关于水桶实验、惯性系、惯性力的观点,欢迎继续点评。谢谢! |
费先生,这有什么对不起的呢。大家互相提出自己的观点,互相纠错本来就是我们来这里的目的。互相找问题是对科学的负责,我的帖子也希望得到大家的点评。只要能在讨论中互相提高自己的认识,就达到讨论的目的了。 |