应该舍弃相对性原理

费邦镜   2016/09/28

摘要：本文首先例举了在地球、太阳、月球、自由落体电梯、同步卫星等“相互作不等速运动”的坐标系中，力学定律都有效，证明了伽利略相对性原理违反事实；继而以布拉德雷光行差现象和原子钟环球航行实验，证明了地球物理空间是各向异性的，直接否定了爱因斯坦的“支持相对性原理的十分强有力的论据”；又以朱永强先生的《带电体运动产生磁场的跟踪观察》实验，证明了相对性原理在电磁学领域违反事实；最后还进一步为舍弃伽利略相对性原理寻找到了理论依据——“补丁后的牛顿第一定律”并不支撑伽利略相对性原理，并依据“补丁后的牛顿第一定律”圆满地解释了伽利略相对性原理无法解释的疑难问题——为什么在多个“相互作不等速运动”的坐标系中，力学定律可以都有效。

引言

爱因斯坦在他的名著《物理学的进化》中为“伽利略相对性原理”进行了严格的定义：“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。”

可见，伽利略相对性原理是一个关于力学定律在不同坐标系中是否“都”有效的判断准则。根据这个准则，对于力学定律，各惯性系是等价的。

普遍认为，伽利略相对性原理在力学领域中高度有效。爱因斯坦更是把其适用领域扩展到全部物理学，简称为“相对性原理”，并以此作为狭义相对论的第一条基本原理。

然而，伽利略相对性原理并没有“可靠”的实验依据，所能查证的，就是伽利略描述的在匀速航行的大船中所观察到的那些极其粗略的力学现象（诸如水滴的下落、蝴蝶的飞行、扔物、跳远等等，都如同大船停航时一样，无法从其中任何一个现象来判断大船是在运动还是不动）。而我们大家都以“舟行不觉”的经验很自然地接受了它。

物理学史上，不乏被“经验”误导的教训，因此，对如此重要的一条原理进行严格考证是有必要的。

一、伽利略相对性原理符合事实吗？

如果我们放开只盯着伽利略大船的眼光，就可以轻易地发现伽利略相对性原理并不符合事实。

现代的我们都相信，地球只是宇宙中极其普通的星球，其他星球上也可能存在“人类”。可以推断，外星人中的“牛顿”，一定也会在他所处的星球上发现与地球上同样的“牛顿力学”，否则就意味着地球是宇宙中最优越的特殊天体。那么，难道我们可以根据伽利略相对性原理，断言这些星球相对于地球一定是作匀速直线运动吗？显然不能。

我们再看看下列事实：

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）爱因斯坦指出：“关联于太阳的坐标系比关联于地球的坐标系更象一个惯性系。”^[1] 这当然是指力学定律在关联于太阳的坐标系中非常有效。

3）在月球上，宇航员们证明了力学定律是有效的。

4）爱因斯坦指出：对自由落体电梯内的观察者来说，力学定律是有效的。^[1]

5）在地球同步卫星内，宇航员们也证明了力学定律非常有效。

上述这五个坐标系，难道它们相互之间是在作匀速直线运动吗？当然都不是！但是，力学定律居然在它们之中“都”非常有效！

可见，伽利略相对性原理明显违反了事实！怎么可能成立呢？

然而，仅凭这三言两语来否定伽利略相对性原理，似乎难以令人信服。毕竟，爱因斯坦完全认可它，而且还把它的适用领域扩展到了全部物理学，难道爱因斯坦会没有充足的理由吗？

参考文献一

[1] 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，P156、159

二、爱因斯坦凭什么坚信相对性原理？

爱因斯坦并非不知道“许多著名的理论物理学家比较倾向于舍弃相对性原理”。^[1] 但他却坚信：“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] 让我们看看他“精选”出来的是两个怎样的事实！

【第一个普遍事实】

爱因斯坦认为：伽利略相对性原理在力学领域中高度有效，因此把它扩展到其他物理学领域中不可能无效。^[1]  

在此，爱因斯坦并未提供任何能证明该原理成立的证据，而仅仅是作为一种先入之见。而在上一章，我们已看到，伽利略相对性原理违反事实的证据非常确凿，足以证明即使在力学领域中它也无效，遑论扩展到全部物理学领域。

【第二个普遍事实】

爱因斯坦指出：“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]

爱因斯坦的这段话逻辑非常清晰：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，居然被我找到了两个地球物理空间各向异性的证据。

第一个各向异性：【1728年，布拉德雷发现光行差现象：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。】^[2] 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总是向一个方向倾斜吗？

第二个各向异性：【1971年，Hafele和Keating……将四只铯原子钟放到飞机上，飞机在赤道平面附近高速度向东及向西绕地球航行一周后回到地面，然后将飞机上的四只铯原子钟与一直静止在地面上的铯原子钟的读数进行比较，发现向东飞行时四只原子钟的读数比地球上的原子钟读数平均慢了59×10^-9秒；而向西飞行时四只原子钟的读数比地球上的原子钟读数平均快了273×10^-9秒。】^[3] 也就是说：向东飞行的原子钟会变慢，而向西飞行的会变快。这当然也直接显示了地球物理空间的各向异性！

上述这两个证据都直接否定了爱因斯坦自认为“支持相对性原理的十分强有力的论据”。

这让我们大跌眼镜——爱因斯坦用洪荒之力精选出来的两个支撑相对性原理的“普遍事实”，居然统统违反“事实”！简直不可思议。

这是用爱因斯坦的逻辑，有力地否定了相对性原理。那么，在非力学领域中，有没有直接否定相对性原理的实验证据呢？

参考文献二

[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，P17、12、13

[2] 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

[3] 张元仲，狭义相对论实验基础，科学出版社，1994，64

三、请特别关注一个可以直接否定相对性原理的电磁实验

2009年，复旦大学朱永强先生等人在复旦大学实验室中，进行了一次相对性原理的判决性实验：让一个高灵敏度的磁场检测仪跟随带电电容板同步作匀速直线运动，用来检测运动电荷产生磁场究竟以什么为参考系。实验结论是：“在地球上带电体运动产生磁场的‘运动’，不可能以任何的运动参考系统为参考系，必须以地球为参考系和不依赖于观察系统的运动状态。” ^[6] 该实验在先前多年已进行过多次，结论完全一致。

这是非力学领域中直接否定相对性原理的有力证据。

然而，大家普遍无视该实验结论，也无视前面列举的力学领域中相对性原理违反事实的确凿证据。原因何在？很可能大家还有一个坚守相对性原理的强硬理由——伽利略相对性原理是得到了牛顿第一定律支撑的！

参考文献三

[1] 朱永强、季灏、郝建宇，带电体运动产生磁场的跟踪观察，前沿科学（季刊），2009年第1期，P81

四、牛顿第一定律支撑伽利略相对性原理吗？

普遍认为，“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。” ^[1] 

可见伽利略相对性原理与牛顿第一定律是相互支撑的，它们在本质上是协调一致的。如果说伽利略相对性原理不成立，难道还要推翻第一定律不成？！

这个问题非常尖锐！

第一定律是整个牛顿力学的基础，牛顿力学的惊人成功和巨大贡献决定了这个基础不可能被推翻。但是，这并不等于第一定律没有瑕疵。

我在博文《应该为牛顿第一定律打个补丁》之中已经有力地论证了第一定律存在瑕疵，并对第一定律打了个漂亮的补丁。

该文的摘要如下：【本文首先强调了牛顿第一定律的实验基础是伽利略斜面实验，该实验证明：惯性运动是沿水平面的，而不是沿直线；又论证了第一定律所适用的参考系既不是绝对空间，也不是惯性系，而是牛顿终生没能指认出的无形物质“引力场”，因此，惯性运动是在引力场中的运动，若沿直线，将违反机械能守恒定律。上述两方面的理由，相互印证了惯性运动不是直线运动。

继而对“自然运动”给出了现代的定义，并由此推断：“惯性”就是万有引力。这个推断具有非常厚实的实验基础，且与爱因斯坦的等效原理殊途同归。又对斜面实验中小球的受力情况进行了仔细分析，归纳出“惯性运动”只是在恒定大小引力作用下的一种自然运动，从而明确了第一定律的物理机制。在此基础上，为第一定律打了个补丁，将第一定律修正为：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。这个修正具有显著的优越性：1、明确了所适用的参考系；2、完全符合斜面实验的结论；3、不违反机械能守恒定律。

还指出了原第一定律相当于补丁后第一定律的微分形式，通常情况下原第一定律仍然有效，因此这个补丁并非另起炉灶，而只是让第一定律具有明确的物理机制，让牛顿力学更加完善。】

（如果读者尚未读过该文，可访问http://blog.sina.com.cn/feibangjing>）

如此补丁之后，惯性运动不再是沿直线的，静止与匀速直线运动不再具有等价性，更重要的是，这个补丁让第一定律拥有了从尤的特定的参考系——引力场，牛顿力学所适用的参考系不再是一组相互作匀速直线运动的等价的惯性系。这当然就意味着伽利略相对性原理失去了补丁后第一定律的支撑。

换言之，补丁后的第一定律，为否定伽利略相对性原理提供了理论依据。

根据补丁后的第一定律，力学定律所适用的参考系是运动物体所处的引力场。那么，力学定律的有效性当然就应该体现在“各个引力场中”。而各个引力场相互之间是否作匀速直线运动，当然与力学定律的有效性无关。

这就漂亮地解释了伽利略相对性原理无法解释的那个问题：在地球、太阳、月球、自由落体电梯、同步卫星这些“相互作不等速运动”的坐标系中，为什么力学定律都会有效——因为这些坐标系都建立在各自的引力场中！

且慢，有人质疑，自由落体电梯和同步卫星内的物体，难道不是在地球引力场中运动吗？电梯和卫星内的力学定律的有效性，为什么不是体现在地球坐标系中，而是体现在电梯或卫星自己的坐标系中呢？这个问题很深刻。

其实，地球对自由落体电梯的引力，已完全用来产生了电梯及其中物体的自由落体运动，可以认为这一引力已被消耗殆尽，所以，电梯内物体所能“感受”到的引力场，是由电梯本身的质量产生的。

同理，同步卫星内物体所能“感受”到的引力场，是由卫星本身质量产生的。

所谓“引力被消耗殆尽”，与赵凯华先生所说的“失重是因为惯性力刚好与重力相抵消”，^[2] 是同一个意思 ——以地球为参考系，自由落体电梯内的物体受地球引力作用而随同电梯一起作自由落体运动；而以电梯为参考系，电梯内的物体受到的地球引力，与物体自由落体的惯性力相抵消，因此，电梯内的物体对地球“失重”了，“感受”不到地球的引力了。

可以推断，不仅力学定律的有效性应该体现在“各个引力场中”，而且所有物理规律的不变性也应该体现在“各引力场中”，而绝不可能体现在“各惯性系中”。如若不然，在地球上依据各种物理规律制造的力学仪器、机械装置、光电设备等等，搬到其他星球上就不能正常工作了，因为没有一个星球与地球保持匀速直线运动。而事实已证明这些装备在其他星球上都能正常工作，这当然意味着相对性原理确实不可能成立。

至此，已经为舍弃相对性原理找到了确凿的事实根据和充分的理论依据。

参考文献四

[1] 林德宏，科学思想史，江苏科学技术出版社，2004，P87

[2] 赵凯华 等，力学（第二版），高等教育出版社，2004，P77

总论

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。”^[1] 爱因斯坦此举的动机显然是出于创建狭义相对论的需要。

其实，伽利略相对性原理与牛顿的绝对时空观是格格不入的，因为伽利略相对性原理完全否定了“绝对运动”的存在。

为什么在伽利略相对性原理已经得以确立的情况下，牛顿还要坚持提出包含了绝对时间、绝对空间、绝对处所和绝对运动的绝对时空观呢？

因为牛顿力学对于“绝对运动”的需要是不可或缺的。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。”^[2] 真没想到，写那么厚一本《原理》，就是为了推知真正的运动——“绝对运动”。那么，什么是绝对运动呢？《原理》中定义：“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]

牛顿“在《论流体的重力和平衡》一文手稿中，首先定义‘处所’为某种东西均匀填充的一部分空间，然后定义‘静止’是保留在同一处所，定义‘运动’为处所的变化。”^[3]

这很清楚，绝对运动的参考系是“绝对处所”。在牛顿力学中，如何判定“静止”、“运动”、“加速度”，都必须依赖这个“绝对处所”。否则，就不能按照牛顿的力学思想来分析运动。

为了能推知绝对运动，牛顿用水桶实验论证了“绝对运动”的存在！ “水”是相对于“绝对处所”在转动。

然而，很遗憾，受时代限制，牛顿终生无法指认出“绝对处所”究竟是什么东西，以致普遍误认为“绝对处所”就是“绝对空间”。这个误解，使得牛顿力学处境尴尬，因为谁也无法参照“绝对空间”确立什么参考系。为了掩饰这个尴尬，朗奇又推出了“惯性系”概念。

而根据伽利略相对性原理，所有相互作匀速直线运动的惯性系都是等价的，相对于一切惯性系，力学定律都有效。

从此，牛顿力学被蒙上了一层面纱，牛顿力学已不再需要什么“绝对运动”和“绝对处所”，而只需要“惯性系”。

于是，不少物理学家错误地认为，“牛顿的《原理》完全可以在不提绝对时空条件下照样写成”^[3]，“牛顿的绝对的时间和空间并不是绝对必要的”^[2]。至于“绝对处所”，那更被抛到了爪哇国，现在的力学教科书上根本不再提它了。

综上所述，唯有彻底舍弃相对性原理，我们才能真正理解牛顿的力学思想，进而才能真正辨别狭义相对论的真伪。

参考文献五

[1] D.KLEPPNER 等，力学引论，人民教育出版社，宁远源 等译，1980，P541

[2] 牛顿，自然哲学之数学原理，北京大学出版社，王克迪译，2006，P7、4、王克迪的导读P7

[3] 阎康年，牛顿的科学发现与科学思想，湖南教育出版社，1989，P381、376

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