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给牛顿力学打上两个补丁，反相才可能成功 （反相系列之二）
由于时代的局限性（主要指当时不知道有“场”这种物质），牛顿力学体系并没有真正完成——惯性力的起源问题没有解决，牛顿的绝对时空观也不是非常彻底——牛顿认可伽利略相对性原理，因此，需要对牛顿力学中的“绝对运动”和“第一定律”分别打个补丁，让牛顿力学更完善，这样，反相才可能成功。
1、给“绝对运动”定义打个补丁，“惯性力”的起源问题将迎刃而解 在打补丁之前，我们先研究两个例子。 例一、在一辆相对地面作匀加速直线运动的车厢内，把一个小球放置在平整光滑的地板上，用一条弹簧把此小球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。 例二、类似的，如果在一个相对于地面作匀速转动的水平光滑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，从而使小球受力平衡。 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。对于这一点，连不少物理学权威人士都感到迷惑。[1 ] 惯性力的神秘性还在于，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。这个“惯性力”究竟是何方神圣，能有如此大的神通呢？ 马赫认为：惯性力起源于物质间的相互作用，起源于受力物体相对于遥远星系的加速运动，而且与引力有着相同或相近的物理根源。这一思想后来被爱因斯坦总结为马赫原理，并成为广义相对论的基础之一。但深入的研究表明，广义相对论与马赫原理并不一致。这就是说，惯性力的起源问题至今仍然没有解决。[ 2 ] 其实，在找到了牛顿力学的“绝对参考系”就是引力场之后，惯性力的起源问题就变得简单了，不过，这需要对《原理》中的“绝对运动”定义打个补丁： 绝对处所（本征引力场）的质量中心，对于该“处所”内的物体来说，是不动的、静止的；以该不动的中心建立的参考系，称为“绝对参考系”；相对于“绝对参考系”的加速运动称为“绝对运动”。 这是笔者对牛顿力学打的第一个补丁。 根据这个补丁，宇宙中就有无数个不动的“中心”，每一个本征引力场的中心都是“不动的”，是研究本征引力场区域内物体运动的“绝对参考系”。 显然，上述思想符合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。”[3] 现在有了这第一个补丁，这“假设1”和“命题11”就都可以省略了，牛顿的宇宙体系将变得更加严密！ 根据这个补丁，再分析上述两个例子，那么，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。 因此，惯性力不是想象出来的力，而是，“相对于本征引力场加速”的物体，受到“引力场”对它的一个作用力，这个力就是“惯性力”，“引力场”当然也受到该“惯性力”的反作用力。 这就是惯性力的本质和起源！！！！！！
2、给“牛顿第一定律”也打个补丁，将不再支撑伽利略相对性原理 一方面，“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。” [4] 可见伽利略相对性原理和牛顿第一定律是相互支撑的。 但是另一方面，牛顿用水桶实验有力地证明了“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。 显然，这两个方面存在尖锐的矛盾。 如何消除这个矛盾呢？笔者认为：必须对牛顿第一定律的缺陷进行修正。 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，[5] 但牛顿并未给出任何理由。如今找到了“绝对参考系”，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： 1）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； 2）修正后的牛顿第一定律不再与机械能守恒定律相抵触； 3）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二个补丁。
3、废弃“相对性原理”，并把它改造为“绝对性原理” 既然，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”，则完全否定绝对运动，否定绝对参考系，现在更是失去了惯性定律的支撑，作为一个“原理”，它当然只能被废弃。（伽利略变换，很实用，应该被保留） 不过，相对性原理也并非一无是处，我们可以借鉴它的部分思想，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。 根据伽利略相对性原理，在月球上、火星上、金星上、或其他的星球上，都不可能会有一套完全相同于地球上的物理学定律，因为这些星球相对于地球，都不是在作匀速直线运动。这种情况对于我们来说，绝对是不可想象的。 而根据“绝对性原理”，上述所有的星球上，都会有一套完全相同于地球上的物理学定律，则是合情合理的，经得起检验的。 用“绝对性原理”来看待其他一些悬疑问题，也非常好理解。 首先，自由落体升降机并非对地球作匀速直线运动，为什么其中的力学定律很有效呢？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，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，其质量中心并没变化，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，才是绝对参考系，其中的力学定律才绝对有效。 因此，固定在地球上的坐标系，只是建立在地心系上的“绝对参考系”的非常精确的近似。我们可以用“傅科摆实验”来测定这个近似程度，尽管这个近似程度非常非常高，但它本质上与“绝对参考系”既不等价，也不平权。 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，其运动的描述，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，则参照地球坐标系最好。 注意，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。
上海金标软件有限公司 费邦镜 2014/10/7
参考文献 [1] 赵峥 等，广义相对论基础，清华大学出版社，2012，10 [2] 赵峥 等，广义相对论基础，清华大学出版社，2012，11 [3] 牛顿，自然哲学之数学原理，北京大学出版社，王克迪译，2006，270 [4] 林德宏，科学思想史，江苏科学技术出版社，2004,87 [5] 朱鋐雄，物理学思想概论，清华大学出版社，2009，26、27 |
