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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”，能解决其他悬疑问题吗？ ……………………………… 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。
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。 （请勿跟帖，待续） |
