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不消除对牛顿力学的两个误解，反相就不可能成功 （反相系列之一）
狭义相对论自1905年创立后相当一段时间，一直受到世界主流物理学界的怀疑甚至反对。如洛伦兹、迈克尔逊、J.J.汤姆逊、彭加勒等等，他们直到去世，都不肯抛弃以太观念；被爱因斯坦誉为相对论先驱的马赫，竟然声明自己的思想与相对论没有关系，明确反对相对论。但是，他们的反对都未成功。 一百多年来，一批接一批富有独立思考精神的勇敢者，对相对论发起挑战，然而，相对论依然经久不败。 为什么呢？这应该与我们大多数人对牛顿力学的两个误解有关。
1、误解之一：牛顿用水桶实验论证了“绝对空间”的存在 几乎所有论及水桶实验的教材（除了郭奕玲先生的《物理学史》），统统都说“牛顿用水桶实验论证了绝对空间的存在”。其实，这是一个莫大的误解！ 如果问：牛顿写作《原理》的目的是什么？可能许多人都不清楚。 牛顿在《原理》中写得非常明白：“真实与相对运动之所以不同，原因在于施于物体上使之产生运动的力。……如何由其原因、效果及表象差异推知真正的运动，以及相反的推理，……这正是我写作本书的目的。” [1] 可见，牛顿写作《原理》的目的就是推知“绝对运动”！ 为了能感知“绝对运动”，牛顿设计了一个著名的“水桶实验”，牛顿的结论是：“起初，……水面保持平坦，因此水的真正旋转并未开始。但在那之后，……水沿桶壁上升……说明水的真实的转动正逐渐加快，直到它获得最大量，这时水相对于桶静止。” [1] 看！通过水桶实验，牛顿只是论证了真实的转动——“绝对运动”的存在！ 那么，什么是“绝对运动”呢？牛顿对此有明确定义：“绝对运动是物体由一个绝对处所迁移到另一个绝对处所”。[2] 我们要追问，“处所”和“空间”是同一个概念吗？显然不是！牛顿对它们是分别定义的。牛顿在《原理》中定义：“处所是空间的一部分，为物体占据着”。[2] 牛顿在《论流体的重力和平衡》一文手稿中也定义：“处所是为某种东西均匀填充的一部分空间。” [3] 可见，“处所”并不是“空间” ；“空间”的确是空无一物，而“处所”必须被某种东西填充，或者说“处所”必须为某种物体占据着。二者决不能混为一谈。 牛顿的水桶实验，论证了“绝对运动”的存在，也就仅仅是证明了“水”相对于“绝对处所”中填充的东西在作真正的转动。 问题是，这个“绝对处所”中被填充的“某种东西”究竟是什么？牛顿终身没能找到，以致牛顿对水桶实验的看法遭到马赫等人的严重误解，误以为“找不到任何东西，就是没东西，没东西当然就是绝对空间”，并由此推断：“牛顿认为水是在相对于空无一物的绝对空间转动”。这真是不可思议的误解！ 如果我们现在能够明确指出“水”是相对于“绝对处所”中的什么东西在作转动，那么，这个误解将被轻松消除。 笔者认为，牛顿已证明了“绝对运动”的存在，虽然牛顿终身没能找到填充在“绝对处所”中的东西，但是，今天的我们，应该比牛顿有更广阔的视野，难道我们不应该继续把这个东西寻找出来吗？ 郑永令先生的《力学》（第二版）第94页上有一道关于水桶实验的例题，笔者认为，该例题的答案已经提示了我们“绝对处所”中的东西是什么。 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。这个答案无疑是正确的。 该方程显示，旋转的水面呈凹形的唯一原因是“地球引力场强度g”。 如果把“地球引力场”看成是水桶实验的“绝对处所”，旋转的水面呈凹形是因为“水”相对于“地球引力场”旋转，那是何等的简单、明快！这也不是没有理由：因为现代的我们已经知道，引力场也是一种物质，当然可以被填充在绝对处所中，而牛顿那个年代，完全没有“场”的概念，牛顿想用托里拆利真空实验来寻找这种物质，失败是当然的。 牛顿对水桶实验的解释遭到马赫的否定，马赫的理由是：“物体的运动是指物体之间的关系而言，如果忽略其他物体A、B、C……而企图谈论绝对空间中物体K的运动，则是错误的”，[4] “根本不存在绝对空间；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。”[5] 那么我们要反问，“水”对于“地球引力场这种物质”的转动，难道不正是“物与物”的关系吗？“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？牛顿只不过是一时找不到这个“绝对处所”中所填充的东西罢了。 如果当年牛顿能指出水是在相对于引力场这种物质转动，那么，马赫还有什么理由反对牛顿呢？当然一条都没有！牛顿的认识与马赫原理并没有本质区别。 一定立刻有人质疑：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综合影响的结果，那么为什么方程z=ωωrr / 2g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？ 该问题确实非常深刻且关键，当初马赫也正是考虑到地球的质量与全宇宙物质的质量相比绝对是微乎其微的，进而断言“惯性离心力是水相对于全宇宙物质（遥远星系）转动的结果”。[5] 其实，该问题的答案非常简单：我们不能用静力学理论来分析动力学问题，由于太阳对地球的引力，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，所以桶中的水所能感知的几乎只是地球的引力。所以，地球的引力场强度g，正是全宇宙物质所产生的引力“综合影响”的结果。这个理由也可以用来漂亮地解释引力（纽曼-希林格）佯谬。 严格地说，如果把本域物体的引力场称为“本征引力场”，那么，被牛顿的水桶实验证实了的绝对处所，就是地球的本征引力场。 因此，我们必须放弃“牛顿用水桶实验证明了绝对空间的存在”这一误解，清醒地认识到：牛顿用水桶实验，毫无疑义地论证了“绝对运动”的存在，这对于反相具有决定性意义。
2、误解之二：“惯性系”就是牛顿定律所适用的的特定参考系 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，惯性系就是牛顿力学所适用的特定参考系。 但是，牛顿本人却从来没有提出过“惯性系”这一概念，这个概念是在牛顿去世了158年之后才产生的。那么，当时为什么需要这个概念呢？ 由于牛顿始终没能找到他力学理论的特定参考系——“绝对处所”，而大家又把“绝对空间”和“绝对处所”混为一谈，进而误认为牛顿力学所适用的特定参考系就是“绝对空间”。[6] 这个误解让牛顿力学处境尴尬：参考系无法确定，而研究运动问题又无法不牵涉其参考系，因此，在马赫错误地批判牛顿的“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。”[7] 朗奇定义：惯性定律成立的参考系称为惯性系。[8] 可见，“惯性系”不过是“绝对空间”的替身。 而现在，在消除了对“牛顿水桶实验”的误解，并找到了“绝对处所”中所填充的就是“引力场”这种物质之后，我们当然就有了崭新的正确认识：“本征引力场”才是牛顿力学体系的“特定参考系”，或称为“绝对参考系”。因此，牛顿力学并不需要“惯性系”这个替身。 除此之外，应该放弃“惯性系”概念的理由还有4条： 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； 2）惯性系概念，再结合伽利略相对性原理，就必然产生出一组相互平权、等价的惯性系，这就彻底否定了绝对运动的存在，这与“水桶实验”的事实相抵触； 3）“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’” ；[9] 4）爱因斯坦也指出，惯性系定义存在着无法解脱的逻辑循环，[10] 事实上也根本无法找到一个真正的惯性系。 因此，“惯性系”就是画蛇添足！我们必须放弃“惯性系就是牛顿力学的特定参考系”这个误解，清醒地认识到：“本征引力场”才是牛顿力学的特定参考系，这对于反相同样具有决定性意义。
上海金标软件有限公司 费邦镜 2014/10/6
参考文献 [1] 牛顿，自然哲学之数学原理，北京大学出版社，王克迪译，2006，6、7 [2] 牛顿，自然哲学之数学原理，北京大学出版社，王克迪译，2006，4 [3] 阎康年，牛顿的科学发现与科学思想，湖南教育出版社，1989，381 [4] 阎康年，牛顿的科学发现与科学思想，湖南教育出版社，1989，389 [5] 赵峥 等，广义相对论基础，清华大学出版社，2012，11 [6] 赵峥 等，广义相对论基础，清华大学出版社，2012，5 [7] 阎康年，牛顿的科学发现与科学思想，湖南教育出版社，1989，378 [8] 高炳坤，探索惯性系，大学物理，2010. 29 (8) [9] 朱鋐雄，物理学思想概论，清华大学出版社，2009，26、27 [10] A.爱因斯坦，物理学的进化，上海科学技术出版社，1979，154 |
