为牛顿第一定律打个补丁（续）

费邦镜  2016/04/15

摘要：本文首先论证了只要物体仅受恒定大小的引力作用，即可判定这个运动是惯性运动；并以此对第一定律作了进一步的修正，使得新修正的第一定律具有更明确的物理机制！本文还以铁的事实，否定了“伽利略相对性原理”，接着，又以铁的事实，并采用爱因斯坦的逻辑，给“相对性原理”以致命一击。

引言

我的博文《为牛顿第一定律打个补丁》[http://blog.sina.com.cn/feibangjing>]自2016年3月21日在多家网站上发表后，受到一些网友的质疑：1）受力的运动怎么可能是惯性运动呢？2）如何化解“第一定律具有优越参考系”与“相对性原理”的抵触？下面将深入探讨这两个问题。

一、物体在恒定大小的引力作用下做惯性运动

众所周知，物理学是实验的科学，而第一定律的实验基础是伽利略斜面实验。正是伽利略的斜面实验，“标志着物理学的真正的开端”（爱因斯坦语）。

深入分析伽利略斜面实验的受力情况可知：水平面上小球所受的引力大小始终不变，此引力与平板对小球支撑力的合力，恰等于小球沿水平面绕地心作匀速圆周运动的向心力（尽管非常非常小），只要不受摩擦力或其他外力的作用，小球可以永远滚动下去。

伽利略对该实验的结论是：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，任何物体都不能自己变换运动状态。^[1]

这个结论只是说水平面上，不受任何阻力的小球做惯性运动，并没说小球不受任何力！也没说小球所受合力为零！

《西方科学史》指出：“伽利略的惯性原理，与笛卡尔的惯性原理或牛顿的惯性原理不同，必须把它称作为‘圆周惯性’原理。”^[2]

根据斜面实验，并不能得到“作惯性运动的物体应该不受力，或所受的合力应该为零”这样的结论。既然物理学是实验科学，当然应该以实验为准！

我在《为牛顿第一定律打个补丁》的第八章指出：

【受亚里士多德的启发，我认为，可以把仅仅在万有引力作用下的运动定义为自然运动。依此，自然运动一般包括下列五类：1）静止；2）绕引力中心的匀速运动；3）开普勒运动；4）斜抛运动；5）落体运动。那么，在牛顿发现万有引力“之前”（注意，是之前），这些自然运动当然都只能被认为是“被自身推动的”，这个“自身推动力”应该就是牛顿所谓的“物质固有的力”——“惯性”。

我推断：……惯性实质上就是万有引力！……当然，并非所有的自然运动都是惯性运动。根据伽利略斜面实验，惯性运动必须是水平面上的匀速运动，换言之，惯性运动仅仅是指“匀速的自然运动”。】

这些思想在近几天又得到了进一步提升：从受力的角度来看，只要物体仅受恒定大小的引力作用，即可判定这个运动是惯性运动。而另三种自然运动：开普勒运动、斜抛运动、落体运动，由于物体与地心的距离在不断变化，引力当然也随之变化，所以都不是惯性运动。

依据这个新思想，现在我把第一定律进一步修正为：相对于其所处的引力场，任何物体都保持静止的或沿等势面向前作匀速率运动的状态，除非它所受到的引力大小发生了变化，或有其他的力作用于它，迫使它改变那个状态。

所谓“沿等势面向前”，在地球上，就是沿地球大圆，或者说沿测地线。

这个新的修正，具有更明确的物理机制！完全可以消解第一个质疑。

第二个质疑似乎很有道理：相对性原理完全否定了优越参考系的存在，各惯性系都是平权、等价的，而第一定律打了这个补丁，它就有了优越的参考系！这将与相对性原理发生抵触，难道相对性原理的磐石地位允许被动摇吗？

参考文献一

[1] 林德宏，科学思想史，江苏科学技术出版社，2004，P87

[2] 安东尼.M.阿里奥托，西方科学史（第2版），商务印书馆，鲁旭东译，2011，P340

二、爱因斯坦支撑相对性原理的两个理由统统不成立

狭义相对论的第一条基本原理就是相对性原理，把伽利略相对性原理的适用领域从力学扩展到了整个物理学。

爱因斯坦对这条原理坚信不疑，论据是：“有两个普遍事实在一开始就给予相对性原理的正确性以很有力的支撑。” ^[1]

【第一个普遍事实】

爱因斯坦说：“我们必须承认经典力学在相当大的程度上是‘真理’，因此，在力学领域中应用相对性原理必然达到很高的准确度。一个具有如此广泛的普遍性的原理，在物理现象的一个领域中的有效性具有这样高的准确度，而在另一个领域中居然会无效，这从先验的观点来看是不大可能的。”^[1]

那么，相对性原理在力学中果真能成立吗？

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。”^[2]

可惜，伽利略相对性原理并没有“可靠”的实验依据，所能查证的，仅仅就是伽利略所描述的大船上的那些极其粗略的力学现象。

而大家熟知的事实是：

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、牛顿他们，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）爱因斯坦认为：力学定律在自由落体的电梯上和在地面上一样有效。^[2]

4）关掉引擎且无自转的航天器上，宇航员们证明了力学定律非常有效。

上述这四个坐标系，它们相互之间绝对不是在作匀速直线运动，而且这并不是因为误差所造成的，但是，力学定律居然在它们之中都非常有效！

这些事实已足够证明：伽利略相对性原理即使在力学中也不成立! 再把它推广到整个物理学领域就更不可能成立。

【第二个普遍事实】

爱因斯坦说：“由于我们的地球是在环绕太阳的轨道上运行，因而我们可以把地球比作以每秒大约30公里的速度行驶的火车车厢。如果相对性原理是不正确的，我们就应该预料到，地球在任一时刻的运动方向将会在自然界定律中表现出来，而且物理系统的行为将与其相对于地球的空间取向有关……但是，最仔细的观察也从来没有显示出地球物理空间的这种各向异性（即不同方向的物理不等效性）。这是一个支持相对性原理的十分强有力的论据。”^[1]

爱因斯坦的这个逻辑意味着：如果能找到地球物理空间各向异性的证据，就可以证明相对性原理是不正确的。

很不幸，居然真的被我找到了一个现成的证据——光行差现象：

【1728年，布拉德雷发现：为了能看到天顶的恒星，不能将望远镜绝对竖直地放置，而必须将望远镜轴线调整到偏向地球的公转运动方向，向前倾斜20.5’’ 角度，望远镜的轴线在一年中描画出一光行差圆锥。】^[3]

请问，为什么望远镜总是要向着地球的公转运动方向倾斜呢？这当然意味着地球物理空间是各向异性的！各向同性的话还需要倾斜吗？

那么，根据爱因斯坦的逻辑，相对性原理当然就是不正确的。

可见，“光行差现象”就是否定相对性原理的又一个铁证！

我们已看到，爱因斯坦支撑相对性原理的两个论据统统不成立。既然相对性原理不成立，那么第二个质疑也就毫无意义。

参考文献三

[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，P12、17、43

[2] A.爱因斯坦，物理学的进化，上海科学技术出版社，周肇威 译，1979，P114、156、159

[3] R.瑞斯尼克，相对论和早期量子论中的基本概念，上海科学技术出版社，上海师范大学物理系译，1978，P26

总论

继3月21日我提出“惯性就是万有引力”的观点之后，我又在本文中提出“物体在恒定大小的引力作用下做惯性运动”的思想，依据这个新思想，我把第一定律进一步修正为：相对于其所处的引力场，任何物体都保持静止的或沿等势面向前作匀速率运动的状态，除非它所受到的引力大小发生了变化，或有其他的力作用于它，迫使它改变那个状态。这个修正比我3月21日的那个修正具有更明确的物理机制！

第一定律打了这个补丁，它就有了优越的参考系！这将与貌似正确的相对性原理发生严重抵触。

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。”但是，在事实面前，爱因斯坦支撑相对性原理的两个论据统统不成立。

爱因斯坦在《狭义与广义相对论浅说》中坦言：“许多著名的理论物理学家比较倾向于舍弃相对性原理”。事实证明，这许多著名的理论物理学家是正确的！

                                                                          上海市老科协创新委  费邦镜  2016/04/15