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相对论的病根在牛顿第一定律（1/3） （初稿） 费邦镜 2015/11/18
摘要：本文把经典力学中的悬疑问题作为突破点。在精读牛顿的《原理》，仔细研究力学史，通盘理解牛顿的力学思想基础上，指出了主流物理学界对牛顿水桶实验存在重大误解，并令人信服地消除了这一误解。进而为第一定律找到了优越参考系，给第一定律打了个补丁，…… 使得对相对论的挑战：逻辑清晰、证据充分、前后呼应。
目录 引言 …… 1 一、牛顿的两大“终生遗憾”和两大“被误解” …… 2 二、牛顿第一定律的渊源 …… 3 三、第一定律的优越参考系是“惯性系”吗？ …… 4 四、第一定律的优越参考系是“绝对空间”吗？ …… 4 五、“引力场”才是第一定律的优越参考系 …… 5 六、《原理》中解决力学问题所依赖的参考系实质上就是“引力场” …… 5 七、惯性运动应该是沿水平面的 …… 6 八、“惯性”的起源就是“万有引力” …… 6 九、给牛顿第一定律打个补丁 …… 7 十、伽利略相对性原理不成立 …… 8 十一、迈克尔逊-莫雷实验并不能否定“以太”的存在 …… 9 十二、爱因斯坦支撑相对性原理的论据不成立 …… 11 十三、“同时性”只能是绝对的 …… 12 总论 …… 13
引言 爱因斯坦所创立的相对论是一个关于时间、空间和物质三者之间关系的理论，号称为现代物理的两大基石之一。 如果您经过努力，仍然无法接受它，您也大可不必自卑，因为您和许多顶尖物理学家一样，具有独立的思想！ 美国第一个获得诺贝尔物理奖的迈克尔逊，“致死还念念不忘可爱的以太，认为相对论是一个怪物”； 创建了电子论的洛伦兹，“他直到去世，都不肯抛弃绝对同时性的传统观念”； 被爱因斯坦尊称为相对论先驱者的马赫，“断然否认自己的思想与相对论一致，明确反对爱因斯坦的相对论”。 爱因斯坦获得过诺贝尔物理奖，但获奖的原因并不是基于相对论，因为当时的物理学界普遍不接受相对论。 一百多年来，世界上反对相对论的声音从来就没有停止过，我也曾经对相对论发起过多次进攻。但是，所有的挑战似乎都不见成效！为什么呢？…… 经过几十年的长考，我才发现，狭义相对论的病根竟然在牛顿第一定律！而第一定律的缺陷之所以一直没被发现，竟是因为牛顿的水桶实验被严重误解！
一、牛顿的两大“终生遗憾”和两大“被误解” 经过我的考证，牛顿有两大终生遗憾和两大被误解： 第一个遗憾：无法找到“以太”；第一个被误解：“超距作用”[1] 牛顿在1674年（32岁）之前主张原子论，但在他的“光的微粒说”受到胡克和笛卡尔-惠更斯学派的有力批评之后，牛顿开始向“以太说”妥协。 牛顿设想的以太，“极端稀薄（细小），无限延伸，在物体周围和物体自身中都存在，能运动，能流动。几乎不是气体，但也还不是虚空。门捷列夫最初甚至还指出了‘以太’在化学元素周期系中的位置，并称之为‘牛顿素’！ ” [2] 1674～1684年间（32～42岁），牛顿向以太说的妥协由光学扩展到了整个物质观方面。牛顿的重力观点也转向以太效应，即认为重力是由以太密度差异产生的压力差引起的。这种解释可以使重力的产生和传递的原因相一致。 1684年之后，牛顿对以太的看法又发生了转变，很少再提及以太，主要原因就是“他自己和波义耳的真空实验都未证明以太的存在”。 但是，牛顿对以太并未完全否定。1717年牛顿在晚年发表了《光学》第二版，并且附加了《疑问17 - 24》，在这些疑问中，牛顿都围绕着以太提问，探讨是否可以用以太做出解释。其中的《疑问21》还专门用“以太”探讨了重力问题。 由于“以太”始终找不到，以致牛顿晚年对以太处于非常矛盾、纠结和“苦恼”之中。 这是牛顿第一大遗憾。 尽管牛顿一再坚决反对超距作用，例如在1693年2月25日给本特雷的信中，他写道：“如果一个物体可以通过真空而没有其他东西的中介，超距作用到另一个物体上，不经过任何东西就传递作用或力，对我来说是极其荒谬的，我相信没有一个在哲学上有思考能力的人，会陷入这种谬论之中。” 但是，因牛顿始终找不到传递引力的以太，莱布尼兹就坚持认为，牛顿的引力理论是以原子论为基础的，而原子论的基本观点是原子和虚空，于是牛顿的引力只能通过虚空而传递，这就是“超距作用”。 这个“超距作用”是牛顿的第一个被误解。 第二个遗憾：找不到水桶实验中的水相对于何“物”在转动；第二个被误解：水相对于“绝对空间”在转动 牛顿的水桶实验，人人可做，毫不起眼，但却引得一代代的物理学家争论不休，至今没有定论。其实，这都是因为大家没仔细阅读《原理》的缘故。 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，……这正是我写作本书的目的。” [3] 为了能推知“真正的运动”，牛顿设计了一个著名的水桶实验：“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。” 显然！牛顿用水桶实验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》中有明确的定义：“绝对运动是物体由一个绝对处所迁移到另一个绝对处所”。 我们要追问，“处所”和“空间”是同一个概念吗？当然不是！牛顿在《原理》中定义：“处所是空间的一部分，为物体占据着”。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。” 可见，“处所”并不是“空间”，二者决不能混为一谈。 牛顿用水桶实验，只是证明了“水”相对于“绝对处所”中所填充的“东西”在作绝对运动。而这填充的东西究竟是什么？牛顿终生没能找到。 这是牛顿第二大遗憾。 马赫则因牛顿终生没有找到绝对处所中的东西，进而混淆了“绝对处所”和“绝对空间”的区别，对牛顿水桶实验妄加曲解，一口咬定“牛顿认为水是相对于‘绝对空间’在转动”。 这个“绝对空间说”是牛顿的第二个被误解！ 是一个后果特别严重的误解！ 综上所述，牛顿的两大终生遗憾有一个共同特点，即：某“物”应该有，却始终找不到！而两大被误解则都与找不到该“物”有关。 只有在搞清楚牛顿的两大“终生遗憾”和两大“被误解”之后，我们才有可能认识第一定律的缺陷。 参考文献一 [1] 阎康年，牛顿的科学发现与科学思想，湖南教育出版社，1989，P306～433 [2] В.И.雷德尼克，场，科学普及出版社，周昌忠译，1981，P24 [3] 牛顿，自然哲学之数学原理，北京大学出版社，王克迪译，2006，P4～7
二、牛顿第一定律的渊源 伽利略通过斜面实验发现，当一个球沿斜面向下滚时，其速度增大，而向上滚时，其速度减小，由此，伽利略推断，当球沿水平面滚动时，其速度应不增不减，球将永远滚动下去。在另一个斜面实验中，伽利略相对地安置两个斜面，当球从一个斜面的顶端滚下后，即沿对面的斜面向上滚，达到原来的高度。然后，他减少后一斜面的斜率，球仍达到同一高度，但这时它要滚得远些。斜率愈小，球达到同一高度需要滚得愈远。于是他推断：若将后一斜面放平，显然球要永远滚下去。 据此，“1638年，伽利略在《两门新科学的对话》中把上述斜面实验的发现概括为如下的话：‘物体沿水平面运动，没有受到任何阻力时，那么它的运动是均匀和永无止境的，只要平面在空间中是无限的话。’‘任何物体都不能自己变换运动状态。’”[1] 显然，伽利略的惯性运动是沿水平面的！ 伽利略的斜面实验意义重大，爱因斯坦对此高度赞扬：“伽利略的发现以及他所用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正的开端。”[2] 之后，笛卡尔也提出了自己的惯性律，他的惯性运动却是沿直线的，不过，他“完全是从哲学的角度考虑问题，把这一切都归因于上帝的安排。”[3] 面对伽利略和笛卡尔不一致的惯性运动方式，牛顿出现过犹豫，但最终，“牛顿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，明确提出惯性的运动是直线运动而不是水平运动”。[4] 那么，为什么要把“水平运动”改为“直线运动”呢？未见牛顿给出任何理由。要判断这个改变是否恰当，应该先搞清楚“第一定律所适用的参考系是什么”？或者说，要先搞清楚“第一定律的优越参考系是什么”？遗憾的是牛顿并没有为第一定律指明优越参考系。 参考文献二 [1] 林德宏，科学思想史，江苏科学技术出版社，2004,P87 [2] 赵凯华、罗蔚茵，力学（第二版），高等教育出版社，2004，P41 [3] 郭奕玲、沈慧君，物理学史（第2版），清华大学出版社，2009，P12 [4] 朱鋐雄，物理学思想概论，清华大学出版社，2009，P17
三、第一定律的优越参考系是“惯性系”吗？ 尽管所有的力学教科书上都写着：“第一定律只有在惯性系中才成立”。但爱因斯坦早就发现了毛病，指出惯性系概念是循环论证： 【惯性系是什么？ 它是力学定律在其中行之有效的一个坐标系。在这样的一个坐标系中，一个没有受外力作用的物体总是作匀速直线运动的。这种性质使我们能把惯性系和其他任何坐标系区分开来。 但是所谓没有力作用于物体上，究竟是什么意思呢？ 这只是说物体在惯性系中作匀速直线运动。】[ 1] 解释的结果，又回到了需要解释“惯性系是什么”这个老问题上。这是典型的循环论证。因此无论在经典力学，还是在相对论中，都无法明确定义惯性系，也无法找到一个真正的惯性系。爱因斯坦承认：“究竟是否存在一个惯性系的问题，直到现在还无法决定”。[1] 其实，牛顿本人从来就没有提出过惯性系这个概念。那么它来自哪里？ 我们已经知道，牛顿的第二个被误解就是因为马赫混淆了“绝对处所”和“绝对空间”的区别，这个误解致使大家认为“绝对空间”就是牛顿定律的优越参考系（下文将展开论述）。然而谁也无法依据绝对空间确立什么参考系，这使牛顿力学处境尴尬。于是，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。”[2] 如此一来，惯性系在直觉上似乎没有绝对空间那么“空”，因此得到了物理学界的普遍接受和采用。但是，经典力学中的严重困难并没有因此得到消除——谁也无法找到真正的惯性系，爱因斯坦感叹：“我们有定律，但是不知道它们归属于哪一个框架，因此整个物理学都好像是筑在沙堆上一样。”[1] 参考文献三 [1] A.爱因斯坦，物理学的进化，上海科学技术出版社，1979，P154、114、155 [2] 阎康年，牛顿的科学发现与科学思想，湖南教育出版社，1989，P378
四、第一定律的优越参考系是“绝对空间”吗？ 其实，物理权威们一直都认为：根据牛顿的绝对时空观，第一定律的优越参考系就必须是“绝对空间”。例如： 1）爱因斯坦说：“牛顿引入绝对空间，对于建立他的力学体系是必要的。”[1] “如果给古典的惯性原理以确切的意义，就必须把空间作为物体惯性行为的独立原因引进来。”[2] 2）赵凯华先生的《力学》第二版指出：“牛顿力学的理论框架本身并不能明确给出它所适用的参考系。牛顿完全了解自己理论中存在的这一薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准——绝对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态。” [1] 3）郑永令先生的《力学》第二版直接指出：“牛顿声称自己研究的运动是在‘绝对空间’和‘绝对时间’中进行的‘绝对运动’，因而在他看来，第一定律应在‘绝对空间’成立。”[3] 特别令人吃惊的是，除了郭奕玲先生的《物理学史》之外，我所能查阅到的所有力学教科书都还进一步认定：“牛顿为了论证绝对空间的存在，设计了一个著名的思想实验：水桶实验。”[4] 上述观点显然都是马赫对水桶实验的那个误解所产生的恶果！通过第一章的论述，我们已认清了这个误解。那么，第一定律的优越参考系当然就应该是“绝对处所”，而不是“绝对空间”。 问题是，怎样才能让人信服地彻底消除马赫对水桶实验的误解呢？最好的办法当然就是把这个绝对处所中所填充的东西寻找出来。 参考文献四 [1] 赵凯华、罗蔚茵，力学（第二版），高等教育出版社，2004，P86、85 [2] 阎康年，牛顿的科学发现与科学思想，湖南教育出版社，1989，P363 [3] 郑永令 等，力学（第二版），高等教育出版社，2002，P56 [4] 赵峥 等，广义相对论基础，清华大学出版社，2012，P10 （未完待续，请勿跟帖） |
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十三、“同时性”只能是绝对的 “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论：对于路基是同时的若干事件，对于火车并不是同时的。[1] 然而，这个结论是错误的，理由有两个： 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”，[2] 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这个大前提的可能性。[3] 因为要直接验证“光速各向同性”必须先测定单向光速，而测定单向光速就必须先对异地时钟进行“对钟”，根据爱因斯坦的对钟法 [4] ，“对钟”又必须以“光速各向同性”作为大前提，这就形成了逻辑循环！这也就意味着“光速各向同性”这个大前提既无法“证实”，也无法“证伪”。 科学哲学大师卡尔·波普有句名言：不能“证伪”的论断就是伪科学！例如，因为无法证明“没有鬼”，所以“有鬼”就不是科学，而只能是迷信。 爱因斯坦创建狭义相对论的第二个基本原理就是“光速不变原理”，该原理包含了“光速各向同性”，因此，“光速不变原理”也只能是伪科学！ 2）我在2004年设计了一个思想实验，[5] 可以明快地否定“同时的相对性”： 如图五a，有一批结构相同的“好钟”，分放在路基和火车这两个坐标系内，每个钟近旁都有一位观察者，火车以速度v，相对路基向右匀速直线运动。 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等钟全部校准同步；火车上的观察者也用同样的对钟法把火车上的P、Q等钟全部校准同步。 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。[6] 这是本思想实验的大前提。
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。我们采用反证法，请看图五b： 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”只能是绝对的！ 参考文献十三 [1] A.爱因斯坦，狭义与广义相对论浅说，上海科学技术出版社，杨润殷 译，1964，P21 [2] 刘辽、赵峥等，黑洞与时间的性质，北京大学出版社，2008，P228 [3] 赵峥，相对论百问，北京师范大学出版社，2010，P39 [4] A.爱因斯坦，相对论的意义，科学出版社，李灏译，1979，P18 [5] 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） [6] 刘辽、赵峥等，广义相对论（第二版），高等教育出版社，2004，序
总论 综上所述，由于时代的限制，牛顿根本无法想象竟然会有“引力场”这种无形的物质，从而留下了两大终生遗憾，更关键的是无法为第一定律指明优越参考系！也导致了人们对牛顿的力学思想产生了不少误解。 在找到了“引力以太”和“绝对处所”之后，又找到了“光以太”。令人兴奋的是，这三个牛顿终生无法找到的东西，居然是同一个东西——“引力场”。 “引力场”使得对水桶实验的误解得以消除，使得惯性定律有了优越参考系，使得被爱因斯坦否定了的“光以太”得以重生，这真是太和谐、太美妙了！可见“引力场”是破解物理悬疑问题的一把金钥匙！ 在给第一定律打了补丁之后，伽利略相对性原理完全失去了成立的可能， “相对性原理”也随之垮塌。 “同时的相对性”以及“光速不变原理”也都被确凿地证明不可能成立。 既然“相对性原理”和“光速不变原理”统统都被否定，那么狭义相对论还可能成立吗？！以它的相对时空观为基础的广义相对论又怎么可能成立呢？！ 我的下一篇论文《惯性力的起源》将对广义相对论发起具体的挑战。
上海金标软件有限公司 费邦镜 2015/11/18
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