我的2014反相小结（2/3）

四、给“牛顿第一定律”打个补丁，明确“惯性运动”的起源

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、惯性运动和惯性力的起源问题都还没有解决，因此，需要对牛顿力学进行修正，让它更完善。

首先需要修正的是牛顿第一定律。

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，但牛顿并未给出任何理由。在消除了对牛顿水桶实验的误解，并找到了牛顿力学的“绝对参考系”就是引力场之后，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，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。

这是笔者给“牛顿力学”打的第一个补丁。

根据这个修正后的牛顿第一定律可知：

“惯性”是每一个物体都具有在引力场中“保持机械能守恒”的固有特性；

“惯性运动”方式是“静止或按原方向并沿等势面作等速运动”；

“惯性运动”的起源是物体为了在引力场中“保持机械能守恒” ！！！

五、给“绝对运动”定义打个补丁，找到“惯性力”的起源

“惯性力”的起源问题，至今仍困惑着物理学家们。

让我们仍以第三章那个非常重要的“匀加速直线运动车厢”的例子来仔细研究“惯性力”问题：

该例中，尽管“惯性力”能使弹簧变形，但所有力学教科书都告诫我们，它是虚假的力，它不是来自于物体与物体的相互作用，因而它没有反作用力。而且，不论在什么参考系中，只要观察者引入了这个虚假的“惯性力”，就能够运用牛顿定律。真是不可思议，既然“惯性力”有如此大的作用，为什么竟然是虚假的呢？

笔者认为，要解决这个悬疑问题，首先要（通过第二章的论证）认识到水桶实验证明了“水”是在对于“引力场”发生转动，这种对于“引力场”的转动（加速运动），才是“绝对运动”。

依此，需要对《原理》中的“绝对运动”定义修正如下：

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；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二个补丁。

这“绝对运动”中的“绝对”二字，并不是没有任何条件>、不受>任何限制>的字面意思，而是有条件的，仅是相对于“本征引力场”而言的。在未找到更贴切的提法之前，不妨仍沿用牛顿的“绝对运动”提法，不必死抠字眼。

根据这第二个补丁，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，这第二个补丁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。”^[1] 现在有了这个补丁，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！也让《原理》更加符合牛顿一再声称的“我不作假设”的思想。

根据这“第二个补丁”以及“引力场”的不可屏蔽性，再来看“匀加速直线运动车厢”的例子，就能清楚地明白“惯性力”的起源了：

车厢并非“绝对参考系”，在地面检测到的效应是小球受到弹簧的拉力而产生了一个加速度；而在车厢中，小球“静止不动”，小球不仅受到弹簧拉力 ，而且还受到了“惯性力”，这个“惯性力”并不是虚假的力，其起源是小球相对于“引力场”加速时，在“非绝对参考系”中所受到的“引力场”这种物质对小球的“作用力”。而“惯性力”的“反作用力”是作用在“引力场”上的。

换言之，小球受到弹簧的拉力，在“绝对参考系”中的效应是产生了“加速度”，在“非绝对参考系”中的效应则是“引力场”对小球产生了“惯性力”。

简言之，这个弹簧的拉力所产生的效应，究竟是“加速度”还是“惯性力”，要依赖所选定的参考系是否为“引力场”而定。

因此，“惯性力”不是虚假的力，而是“相对于引力场加速”的物体，在非引力场参考系中，所受到的“引力场”对它的一个作用力。

这就是“惯性力”的起源！！！

用这个对“惯性力”的新认识，也可以简明地解释另一个重要的例子：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。在地面上的观察者A看来，弹簧拉力的效应是产生一个向心加速度，小球在向心力（弹簧拉力）的作用下，作匀速圆周运动；而在转盘上的观察者B看来，小球是处于相对“静止”状态的，小球不仅受到向心力（弹簧拉力），而且因为小球相对于引力场加速运动（旋转），所以小球也受到了引力场对小球的作用力——“惯性离心力”。这个“惯性离心力”正是在转盘参考系中，“引力场”对小球所产生的效应。

牛顿水桶实验中“水”受到的“惯性离心力”，与此是完全相同的效应。

参考文献五

[1] 牛顿，自然哲学之数学原理，北京大学出版社，王克迪译，2006，270

六、必须破除对“伽利略相对性原理”的迷信

爱因斯坦将“伽利略相对性原理”从力学推广到全部物理定律，并以此作为狭义相对论的两条基本原理之一。

为了避免歧义，让我们先确认一下爱因斯坦所表述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。

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。”

那么，伽利略相对性原理成立的依据是什么？并没有让人满意的说法！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那些粗略的力学现象。虽然这个原理没有经过任何的论证，但几乎每一个人都凭着曾经有过的“舟行不觉”的亲身感受，非常自然地认可了它。

然而，人们单凭直觉经验而被错误的力学理论统治了一、二千年的例子提醒我们，有必要对伽利略相对性原理进行一番严格的考证和思辨。

首先，伽利略相对性原理普遍符合事实吗？请看：

1）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？

2）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。^[2]

3）我们都很熟悉自由落体的电梯，爱因斯坦认为，力学定律在电梯上和在地面上一样有效。

4）关掉引擎且无自转的航天器上，宇航员们已经通过实验证明了力学定律非常有效。

够了，只要看看地球、太阳、自由落体电梯、关掉引擎的航天器这四个坐标系，它们相互之间绝对不是在作“匀速直线运动”（那怕是近似的），但是力学定律在它们之中却都非常有效。

可见，坐标系本身如何运动，坐标系相互之间如何运动，都不影响力学定律在其中是否有效。这就有力地否定了爱因斯坦的断言：“假如两个坐标系相互转动，那么力学定律不能在两者之中都有效。……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”。^[3] 而结论只能是：伽利略相对性原理严重不符合事实。

其次，牛顿用水桶实验强有力地证明了“绝对运动”的存在，而伽利略相对性原理完全否定了“绝对运动”的存在，使得牛顿力学“对绝对运动的需要被一组相互平权的惯性系所替代”。^[4] 因此，伽利略相对性原理与牛顿的“绝对运动”观点是根本对立的。

再次，有人认为，“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。” ^[5] 可见伽利略相对性原理得到了牛顿第一定律的支撑。

但是，笔者在第四章已经用充分的理由，对牛顿第一定律的缺陷进行了修正，指出了惯性运动并非“直线”的，【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。】

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失去了修正后的牛顿第一定律的支撑。

基于上述三条理由，伽利略相对性原理不成立！

笔者认为，应该把“相对性原理”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“绝对性原理”，月球上、火星上，或其他天体上，都会有一套完全相同于地球上的物理学定律，尽管它们相互之间并非匀速直线运动。

显然，这个结论只能是成立的，否则就意味着地球是宇宙中最优越的天体。

而自由落体电梯，为什么其中的力学定律也很有效呢？这是因为，地球对电梯的引力，已完全用来产生了电梯的自由落体运动，可以认为这一引力已消耗殆尽，所以，自由落体电梯的本征引力场，是由电梯本身的质量产生的。电梯上的物体，在电梯的本征引力场内运动，当然遵循力学定律。而且因为电梯的质量太小，其本征引力场太弱，所以电梯内的物体几乎完全“失重”。

同样的原因，在一切自由飞行的人造航天器上，力学定律也都非常有效，且自转速度越慢，越有效。为什么自转速度越慢，越有效呢？

根据第五章笔者对“绝对运动”的补丁：【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；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”】可见，物体自转时，其质量中心是“不动的”，所以自转不会造成引力场发生变化，当然不会带动绝对参考系。因此，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。

同理，固定在地面上的坐标系，也只是“绝对参考系”的非常精确的近似。我们可以用“傅科摆实验”来测定地面坐标系相对于“绝对参考系”的近似程度。

当然，“伽利略变换”不失为一种很实用的经验公式，地面、火车、轮船这类相互作匀、低速直线运动的坐标系之间，仍可采用这个变换。

参考文献六

[1]、[2] 、[3] A.爱因斯坦、L.英费尔德，物理学的进化，上海科学技术出版社，1979，114；156；113

[4] 郑永令 等，力学（第二版），高等教育出版社，2002，455

[5] 林德宏，科学思想史，江苏科学技术出版社，2004,87

（未完待续，请勿跟帖，谢谢！）