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我的2014反相小结（1/3）
目录 一、“同时的相对性”并不成立 …………………………………………………… 1 二、牛顿水桶实验并不是论证“绝对空间”的存在，而是“引力场” ……… 2 三、牛顿力学体系并不是建立在“惯性系”的基础上，而是“引力场” …… 4 四、给“牛顿第一定律”打个补丁，明确“惯性运动”的起源 ……………… 5 五、给“绝对运动”定义打个补丁，找到“惯性力”的起源 ………………… 6 六、必须破除对“伽利略相对性原理”的迷信 ………………………………… 7 七、“以太”就是“引力场” ……………………………………………………… 9 八、用经典力学可以解释“惯性质量”等于“引力质量” …………………… 10 九、“等效原理”不成立 ………………………………………………………… 11 十、总论 ………………………………………………………………………… 12
引言 由于时代的局限性，牛顿在创建力学体系时，还不知道有“引力场”这种物质存在，致使该体系并没有得到真正完成——惯性、惯性运动和惯性力的起源问题至今仍是个迷！但爱因斯坦却利用了这些悬疑的概念，创建了含有根本性矛盾的相对论。笔者意识到，必须先给牛顿力学打上补丁，彻底解决这些悬疑问题，才能真正有力地挑战相对论。
一、“同时的相对性”并不成立 “同时的相对性是爱因斯坦建立狭义相对论时空观的突破点。”爱因斯坦为此设计出一个绝妙的火车上的思想实验，并得出以下的重要结果：对于路基是同时的若干事件，对于火车并不是同时的。 然而，这个思想实验的结论是错误的，理由有以下两方面： 1）该实验以“光速各向同性”作为大前提，而这个大前提迄今为止并无实验支撑，爱因斯坦也承认“光速各向同性”只是个“约定”，[1] 更致命的是，以相对论为核心的时空理论，从原则上否定了直接验证“光速各向同性”的可能性。[2] 2）笔者在2004年设计了一个思想实验，[3] 可以明快地否定“同时的相对性”：
事先，路基上的观察者已经用爱因斯坦对钟法或其他对钟法把路基上的A、B等钟校准同步；火车上的观察者也用同样的对钟法把火车上的P、Q等钟校准同步。 注意，无论是根据牛顿力学，还是狭义相对论，在完成了这样的对钟之后，对于路基上的观察者来说，A、B等钟将继续保持同步，而对于火车上的观察者来说，P、Q等钟也将继续保持同步。[4] 这是本思想实验的大前提。 当钟P与钟A擦肩而过时，观察者A观察到钟A比钟P快了t秒，当然，观察者P观察到的场景同观察者A观察到的是同一个场景，也观察到钟A比钟P快了t秒。于是，根据事先的约定，观察者P立即把自己身旁的钟拨快t秒，紧接着P又通知火车上的所有观察者（允许采用各种方法通知）：把自己身旁的钟都拨快t秒。如此一来，不仅路基上的A、B等钟同步，火车上的P、Q等钟同步，而且，路基和火车两个坐标系内所有的钟也全部都同步了！这就直接否定了“同时的相对性”！从此后，要比较两个异地事件（无论是否在同一坐标系）是否同时发生，只要记录下事件发生时近旁的钟的刻度，然后再进行比较是否相同就可以了。 且慢，立即有人会指出其中的毛病：根据相对论，运动的钟是会变慢的，即使把钟P和钟A在相遇时校准到同步，那么，随着时间的流逝，两个坐标系内的钟仍然不会同步，比如，钟P和钟B相遇时，指针转过的角度就不可能相同。 其实，这种情况是决不可能发生的。请看图五b，假定钟P和钟B相遇时，观察者P已完成了对鈡动作，现在我们采用反证法： 假设运动的钟真的会变慢，那么：【情况1，如果以路基为参考系，则钟P是运动的，观察者B（和P）将会观察到：钟P的指针转过的角度一定比钟B的要小；情况2，如果以火车为参考系，则钟B是运动的，观察者P（和B）将会观察到：钟P的指针转过的角度一定比钟B的要大。】请注意，这两种情况下，观察者P和B观察到的是同一个场景，其结果不可能互相矛盾，所以“运动的钟会变慢”这一假设是不可能成立的。证毕。 因此，“同时性”不可能是相对的！ 正是基于能够如此明快而确凿地否定“爱因斯坦建立狭义相对论时空观的突破点”，才让我坚信相对论一定是一个错误的理论。
参考文献一 [1] 刘辽、赵峥等，黑洞与时间的性质，北京大学出版社，2008，228 [2] 赵峥，相对论百问，北京师范大学出版社，2010，39 [3] 费邦镜，《“同时性”是绝对的，引力场就是“以太”》，北相网站，2004.12.18，（豆丁网等） [4] 刘辽、赵峥等，广义相对论（第二版），高等教育出版社，2004，序
二、牛顿水桶实验并不是论证“绝对空间”的存在，而是“引力场” 当今，几乎所有论及水桶实验的力学教材，统统都说“牛顿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：“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] 很明确，牛顿写作《原理》的目的就是推知“绝对运动”！ 为了能推知“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……” [1] 看！牛顿在此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？牛顿在《原理》中对此有明确定义：“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》一文手稿中定义得更明确：“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，有力地论证了“绝对运动”的存在，也就是毫不含糊地证明了“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“东西”究竟是什么？牛顿终身没能找到，以致马赫断定：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”是相对于什么东西在作转动，那么，这个误解将被轻松消除。 今天的我们，比300年前的牛顿，有更广阔的视野，我们应该有能力把“绝对处所”中的这个东西寻找出来。 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。”答案：水面为旋转抛物面，抛物线方程为 z=ωωrr / 2g 。 该方程显示，旋转的水面呈抛物面形状的唯一原因是“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”，旋转的水面呈抛物面是因为“水”相对于“地球引力场”在旋转，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，引力场是无法屏蔽的，且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，牛顿曾想用托里拆利真空实验来寻找这种物质，失败是当然的。 马赫否定牛顿的理由是：“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“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。 如果牛顿能指出水是在相对于引力场这种物质转动，难道马赫还有什么理由反对牛顿吗？可以说，牛顿对水桶实验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，而不是地球、太阳及其他远域物质的引力场强度的叠加呢？ 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。也可以说，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，被牛顿水桶实验证实了的绝对处所，就是地球的本征引力场。 可见，所谓“牛顿水桶实验证明了绝对空间的存在”根本就是马赫的一个误解。但是，爱因斯坦正是充分地利用和放大了这一误解，用以否定牛顿的绝对时空观。
参考文献二 [1]、[2] 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；4 [3]、[4] 阎康年，牛顿的科学发现与科学思想，湖南教育出版社，1989，381；389 [5] 赵峥 等，广义相对论基础，清华大学出版社，2012，11
三、牛顿力学体系并不是建立在“惯性系”的基础上，而是“引力场” 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，牛顿力学体系是建立在“惯性系”基础上的。其实，这是又一个莫大的误解！ 牛顿本人从来没有提出过“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”。 这个误解让牛顿力学处境尴尬——其特定参考系无法确定！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。”[1] 朗奇定义：惯性定律成立的参考系称为惯性系。 可见，“惯性系”不过是“绝对空间”的替身，完全是马赫误解的产物。 如果非要在惯性系中才能运用牛顿运动定律，那么，牛顿运动定律还会有如此广泛的普适性吗？（几乎漂亮地解释了从地面物体到天体的所有运动） 在实际情况中，即使在所谓的“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。 请看下面的这个非常重要的“匀加速直线运动车厢”例子。（注意，这是一个比爱因斯坦“自由落体电梯”更重要的例子，笔者还会在下文多次引用。） 【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。在地面上的观察者A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。但在车厢内的观察者B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。通常，我们都是引入一个虚假的“惯性力”，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，车厢内的观察者B仍然可以应用牛顿定律来方便地分析运动问题：小球静止的原因是弹簧拉力与惯性力平衡。】 “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。” 因此，“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’。”[2] 华东师大朱鈜雄先生的这个推论太深刻了。 特别是在消除了对“牛顿水桶实验”的误解，并找到了“绝对处所”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：牛顿力学并不需要“惯性系”，“引力场”才是牛顿力学体系的“特定参考系”（绝对参考系）。 与牛顿力学被强制捆绑上“惯性系”不同，狭义相对论的整个理论都是有意识地建立在惯性系的基础上的！然而，很不幸，爱因斯坦最终也看到了“惯性系”定义存在着无法解脱的逻辑循环，而且也确实无法找到一个真正的惯性系，因此，在广义相对论中不得不取消了“惯性系驾乎所有其他坐标系之上的优越地位”，并且只能把“惯性系”限制在“无穷小区域内”。这真是捉襟见肘，难道“无穷小区域内”的惯性系就真能被找到吗？可见，“惯性系”是一个多么空幻的概念！ 笔者认为，整个宇宙的力学行为都脱离不了万有引力的影响，“引力场”才是实实在在的“绝对参考系”。
参考文献三 [1] 阎康年，牛顿的科学发现与科学思想，湖南教育出版社，1989，378 [2] 朱鋐雄，物理学思想概论，清华大学出版社，2009，26
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