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第五章、 重新审视惯性定律、惯性系、惯性力，给牛顿力学打补丁 数百年来，惯性力的起源问题一直没搞清楚，现在我们已明确了“惯性力是起源于物体相对于“本征引力场”的加速运动。”因此，有必要把那些与“惯性”相关的理论作一番重新审视。 12、“惯性定律”应该打个补丁，将不再支撑伽利略相对性原理 牛顿的水桶实验论证了“绝对运动”的存在，而伽利略相对性原理完全否定“绝对运动”，因此，伽利略相对性原理与牛顿的绝对时空观是根本对立的。 然而，令人疑惑的是，伽利略相对性原理竟然得到了本该属于绝对时空观的牛顿第一定律的支撑。 “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。” [26] 可见伽利略相对性原理和牛顿第一定律是相互支撑的。 在本文第三章，笔者已告诫大家不要迷信伽利略相对性原理，并提出将在下文中否定伽利略相对性原理，一定有人会问，既然它们相互支撑，难道为了否定相对性原理还要放弃牛顿第一定律吗？当然，我们不会放弃牛顿第一定律，但是必须对它的缺陷进行修正。 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，[27] 但牛顿并未给出任何理由。如今找到了“绝对处所”，惯性运动当然是物体相对于本征引力场而言的，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！ 依此，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“外加力”作用于它迫使它改变那个状态。 “外加力”的含意是：任何物体都不可能不受力，物体保持惯性运动状态是因为所受的合力为零；让原先所受的合力不再为零的力，就是“外加力”。 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绝对参考系是物体所处的引力场，而不同于原先那样没有明示（因为牛顿始终找不到“绝对处所”，所以他确实无法明示），牛顿力学就不再是爱因斯坦所讥讽的那样，是“悬在半空中”、“筑在沙堆上”的学说了； B、保持了牛顿的绝对时空观在牛顿力学中的一致性、完整性； C、修正后的牛顿第一定律不再与机械能守恒定律相抵触； D、修正后的牛顿第一定律与伽利略的惯性思想保持一致。 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，引力场就是牛顿力学的从尤的参考系——绝对参考系，伽利略相对性原理也就完全失去了牛顿力学的支撑。 这是笔者对牛顿力学打的第一个补丁。 13、“惯性系”对于研究力学问题不是必须的，应该放弃 几乎所有的力学教科书都给我们划定了一条铁律：牛顿力学定律只有在惯性系中才能成立，爱因斯坦更把惯性系看成牛顿力学和狭义相对论的基本框架，可是，牛顿本人却从来没有提出过“惯性系”这一概念。 那么，是谁最早提出了“惯性系”概念的呢？动机又是什么？ 由于牛顿始终没能找到“绝对处所”，而大家又把“绝对空间”和“绝对处所”混为一谈，进而误认为“绝对空间”就是牛顿力学体系的基本框架，是其绝对参考系。既然找不到“绝对空间”，那么牛顿力学的绝对参考系也无法确定，而研究运动问题又无法不牵涉其参考系，因此，在马赫批判牛顿的“绝对空间”之后两年，“德国物理学家朗奇（L.Lange）在1885年（这是牛顿去世了158年之后，爱因斯坦刚6岁那一年）发表的《论伽利略惯性律的科学结构》一书中，从物理概念的基础寻找消除绝对空间概念的方法。这个方法是用惯性系取代绝对空间，将牛顿力学体系建立在惯性系的基础上，从而使牛顿的力学定律在‘消除’绝对空间的条件下，仍能保持其全部物理意义。”[28] 朗奇定义：惯性定律成立的参考系称为惯性系。[29] 从此，“对绝对运动的需要已被一组惯性系所替代”。[30] 然而，正如爱因斯坦所指出的那样，该惯性系定义存在着无法解脱的逻辑循环，[31] 虽然牛顿力学和“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。” [32] 问题还在于，如果非要在惯性系中才能运用牛顿运动定律，那么，牛顿定律还会有如此广泛的普适性吗（几乎涵盖了从地面物体到天体的所有运动）？ 在实际情况中，即使在非惯性系中观察和处理物体的运动，我们仍然可以应用牛顿定律。 例如，在一辆相对地面作匀加速直线运动的车厢内，把一条系着一个小球的弹簧，水平放置在平整光滑的地板上，弹簧的另一头连接在车厢前端的厢壁上。在地面上的A观察者看来，小球受到弹簧的拉力随同车厢作匀加速直线运动，符合牛顿定律。但在车厢内的B观察者看来，弹簧上显示了读数，这就意味着小球受到了一个水平方向的作用力，但却居然处于“静止”状态，这显然是违反牛顿定律的。但我们可以引入一个虚拟的、假想的“惯性力”来解释这个现象，这个惯性力与弹簧作用于小球的力大小相等，方向相反，也作用在该小球上。如此一来，车厢内的B观察者仍然可以应用牛顿定律来方便地分析运动问题：小球“静止”的原因是受力平衡。 类似的，如果在一个相对于地面作匀速转动的转盘上放置一个小球，小球通过弹簧与转盘中心相连接。在随同转盘一起转动的B观察者看来，小球是处于相对“静止”状态的，但是弹簧上却显示了读数。于是为了能够应用牛顿定律解释小球的“静止”状态，B观察者也可以引入一个虚拟的‘惯性离心力’作用在小球上，从而使小球处于‘平衡’状态。 朱鈜雄先生总结：“从以上例子的分析中似乎可以得出这样的结论：不论在什么参考系中，只要观察者引入了‘惯性力’，就能够运用牛顿定律成功地解释在这些参考系中出现的各种力学现象。”[33] 哈佛教科书《力学引论》对此有相同的结论：“这两个系统中的任何一个，对于问题的分析都是有效的。” [34] 几乎所有的力学教科书也都是这个意思。 朱鈜雄先生敏锐地发现了一个问题：“如果把牛顿定律能够成立的参考系称为‘惯性系’，那么引入‘惯性力’以后，任何参考系也都可以称为‘惯性系’。而如果所有的参考系都是‘惯性系’，那么也就没有必要定义‘惯性系’。” [35] 这真是太有思想了！ 朱先生接着指出：定义惯性系是必要的，因为“惯性力”是假想的虚构的力，其没有反作用力，不属于牛顿第三定律定义的力的范畴，因此，在非惯性系中成功解释力学现象所运用的不是完整的牛顿运动定律。“第三定律为第一定律和第二定律得以成立的‘惯性系’提供了得以存在的保障。” [35] 笔者并不认同这样的解释，笔者认为：“惯性系”对于研究牛顿力学问题确实不是必须的，应该放弃，理由是： 1）牛顿不提出、不依赖“惯性系”，却几乎正确地解决了从地面物体到天体的所有运动问题，“惯性系”就是画蛇添足； 2）朗奇的“惯性系”仅仅是因为找不到“绝对空间”的“正身”而找来的“替身”，既然水桶实验已证明了“绝对运动”的存在，现在又找到了其“绝对处所”的正身——引力场，牛顿力学是以引力场为绝对参考系的，根本就不再需要这个替身； 3）引入“惯性力”以后，任何参考系都可以称为惯性系，还有必要定义惯性系吗？所谓惯性力没有反作用力这个观点并不正确（下文将论证）； 4）既然“惯性系”定义带有逻辑循环毛病 ，大家也无法找到一个真正的惯性系 ，保留它有何必要？ 因此，“惯性系”概念必须放弃。 14、“惯性力”不是虚假的力，它有反作用力 几乎所有的力学教科书都告诉我们，“惯性力”是想象出来的力，是虚假的力，它不是来自于物体与物体的相互作用，所以惯性力没有反作用力。 这真是奇怪，只要假想一下有这个力的存在，就可以把非惯性系中的运动当作惯性系中的一样，运用牛顿运动定律来处理。那么，“惯性力”究竟是何方神圣？能有如此大的神通呢？ 其实，在找到了牛顿力学的“绝对处所”（绝对参考系）就是引力场之后，问题就变得非常简单了。 马赫曾误认为：“惯性力起源于受力物体相对于遥远星系的加速运动。”而根据本文第11节，我们已知道，惯性力是起源于物体相对于“本征引力场”的加速运动。所以，惯性力不是想象出来的力，而是物体相对于引力场加速而受到的引力场对它的作用力，引力场也是物质，惯性力当然是物质之间的相互作用力，引力场怎么可能不受到该惯性力的反作用力呢？简言之，引力场对物体施加惯性力，物体则对引力场施加反作用力。 15、给“绝对运动”和“绝对静止”定义也打个补丁，《原理》中唯一的一个假设也不再需要了，让牛顿宇宙体系更严密 从本文第13节的例子和第14节的论述，我们可以总结出来：加速车厢里的观察者也好，转动圆盘上的观察者也好，他们所在的参考系与绝对参考系（本征引力场）并不等价，他们看到小球的静止是“相对静止”。实质上，小球都相对于绝对参考系有一个加速度，这才是“绝对运动”。在绝对参考系中测到的是小球产生了一个加速度，在加速参考系内测到的就是该小球受得了“本征引力场”对它产生的一个惯性力。这就是惯性力的本质和起源！再重复一遍，这就是惯性力的本质和起源！！！ 因此，应该对《原理》中原先表达得不准确的“绝对运动”和“绝对静止”定义作些修正。 修正后的“绝对运动”定义是：“相对于绝对处所（本征引力场）的加速运动，称为绝对运动。” 修正后的“绝对静止”定义是：“绝对处所（本征引力场）的中心是不动的，称为绝对静止。” 这是笔者对牛顿力学打的第二个补丁。 根据修正后的“绝对静止”定义，宇宙中有无数个不动的“中心”，每一个本征引力场的中心都是“不动的”、“绝对静止”的，是研究本征引力场区域内物体运动的“绝对参照物”。 从而就有：研究地球系内的运动问题，地球和月球的公共重心是不动的；研究太阳系内的运动问题，地球、太阳以及所有行星的公共重心是不动的（这就是牛顿的日心体系）；……研究全宇宙的运动问题，全宇宙所有星球的公共重心是不动的。尽管这些“不动的中心”相互之间是运动的，但这个“不动”是相对于所研究的运动而言的，这就是说，“绝对静止”也有相对性，这里的“绝对静止”、“不动”二词，只是沿用牛顿的说法，不必死抠字眼。 显然，上述思想就是牛顿宇宙体系的基本框架，因为，牛顿在《原理》的“第三编、宇宙体系”中有假设1：“宇宙体系的中心是不动的。”又有命题11：“地球、太阳以及所有行星的公共重心是不动的。”[36] 有了修正后的“绝对静止”定义，《原理》中这唯一的假设就不再需要了，牛顿的宇宙体系变得更加严密！ 16、把被废弃的“相对性原理”改造为“绝对性原理” 牛顿的水桶实验已证明了“绝对运动”的存在，力学定律也找到了自己的绝对参考系，而伽利略相对性原理完全否定绝对运动，否定绝对参考系，与实际情况也严重不符，现在更是失去了惯性定律的支撑，除了被彻底否定，完全没有其他的选择。 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的很好的近似。它们既不等价，也不平权。 伽利略变换，仅是这些相对于绝对参考系低速的、相互近似的参考系之间，精度很高、很实用的坐标变换方法而已。 因此，伽利略相对性原理，完全错误，应该被废弃；伽利略变换，很实用，应该被保留。 既然伽利略相对性原理在力学领域中也无法成立，还能指望把它推广到一切物理领域吗？所以，经爱因斯坦推广之后的狭义相对性原理，更是不能成立。 不过，相对性原理也并非一无是处，我们可以利用它部分有用的思想，把它改造为“绝对性原理”。 所谓“绝对性原理”就是：在任何“绝对参考系”（本征引力场）中，物理学定律都绝对具有相同的数学表达形式，换言之，所有“绝对参考系”对于描述物理现象都是绝对等价、平权的。 如果在其他的星球上，会有另外一套不同于地球上的物理学定律，那绝对是不可想象的。用“绝对性原理”来看待本文第8节的问题，就非常好理解了。 首先，自由落体升降机上为什么力学定律很有效呢？这是因为，地球对升降机的引力，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，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，其本征引力场太弱，所以升降机内的物体几乎完全失重。 同样的原因，在地球上，在月球上，在一切自由飞行的天体上（包括人造的飞行器），力学定律都非常有效，且自转速度越慢，越有效。 为什么说“自转速度越慢，越有效”呢？ 因为物体自转时，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。唯有固定于无自转天体上的坐标系，或者固定于“体系质量中心”上的坐标系，才是绝对参考系，其中的力学定律才绝对有效。 再如，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？ 这并不是因为日心体系比地心体系优越，而是因为，绝对参考系都是局域的，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，行星的运动才遵循力学定律，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。 各“绝对参考系”（本征引力场）是绝对平权、等价的，但是，这些“绝对参考系”相互之间并非一定作匀速直线运动，它们之间的变换，一般既不能用伽利略变换，也不能用洛伦茨变换。 至此，我们已经通过寻找到牛顿水桶实验的“绝对处所”——“引力场”，而完成了对狭义相对论的基本原理——“相对性原理”的彻底否定。 17、用大白话解析牛顿的“时间”和“空间” 尽管狭义相对论号称是一个关于“时间”和“空间”的崭新的时空理论，但是，爱因斯坦始终没有仿效牛顿，也给时间和空间下个定义，为什么？这很不正常。他的相对时空观，是以“光速各向同性”这个“约定”作为前提，并借助于那个经不起推敲的“爱因斯坦火车”思想实验建立起来的。 当然，作为公理体系的逻辑起点，也不是不可以作些假设或约定，但是，“与欧几里得几何学的公理不同的是，与几何学相比，物理学有着附加的约束：它必须与真实世界相符。”[37] 而爱因斯坦的对钟法已经排除了验证这个“约定”是否与真实世界相符的可能性。这样的“约定”，能允许吗？ 牛顿火车思想实验（本文第6节），已经毋容置疑地论证了两个不同惯性系的“同时性不可能是相对的”，实质上，这就已经彻底否定了“时间的相对性”。 本文第10、11节，已经消除了人们由“水桶实验”引起的对“绝对空间”的误解，这就让否定“绝对空间”变得毫无理由。 因此，爱因斯坦的“相对时空观”，就是一个彻头彻尾错误的理论。 笔者笃信牛顿的绝对时空观。 笔者对牛顿“时间”的理解是：日圭、沙漏、机械钟、原子钟等等，都是人们用来比较事件先后次序的实用工具，而“时间”，则是由此抽象出来的用以比较事件先后次序的数学工具，它必须是各观察者公认的、一维的、无始无终的、均衡流逝的、不受任何外在的东西干扰的、抽象的“好鈡”。 抽象的数学时间并不是物理鈡，谈不上快慢。 笔者对牛顿“空间”的理解是：直尺、测距仪、三坐标测量仪等等，都是人们用来比较事件相互位置的实用工具，而“空间”，则是由此抽象出来的用以比较事件相互位置的数学工具，它必须是各观察者公认的、三维的、无边无际的、刚性的、与任何外在的东西无关的、抽象的“好坐标系”。 抽象的数学空间根本不是物体，当然也谈不上弯曲，能受物质质量的影响发生弯曲的是空间中无处不在的引力场，正是引力场充满在空间中，并随着物质质量的分布，发生着弯曲。 笔者以为，要正确认识和理解客观世界，要有效运用物理知识解决实际问题，必须依赖能被我们想象的、与我们的日常经验相一致的、得到过无数事实验证的牛顿绝对时空观。 | 
