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为牛顿第一定律打个补丁(2017.0版)
[楼主] 作者:费邦镜  发表时间:2017/01/12 19:44
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为牛顿第一定律打个补丁(2017.0版)

费邦镜  2017/01/12

 

目录

引言... 1

一、第一定律的实验基础是伽利略斜面实验... 2

二、第一定律所适用的参考系是“绝对空间”吗?否... 2

三、第一定律所适用的参考系是“惯性系”吗?否... 3

四、“引力场”才是第一定律所适用的参考系... 4

五、“惯性”就是万有引力... 5

六、惯性运动是物体在恒定大小引力作用下的运动... 6

七、补丁后的第一定律符合伽利略斜面实验的结论... 7

八、补丁后的第一定律属不变分的积分原理,原第一定律相当于其微分形式... 7

九、伽利略相对性原理严重违反事实... 8

十、这个补丁的意义是为舍弃伽利略相对性原理提供了理论依据... 9

 

摘要: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,该实验的结论为惯性运动是沿水平面的,而不是沿直线;又论证了牛顿水桶实验中的“水”是相对于“引力场”在作绝对运动,而不是普遍所误解的相对于“绝对空间”!因此,第一定律所适用的参考系既不是绝对空间,也不是惯性系,是引力场;既然惯性运动是引力场中的运动,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

继而指出,在牛顿发现万有引力“之前”,普遍认为自然运动是被自身推动的,这个自身推动力就是“物质固有的力”——惯性!从而推断,惯性就是万有引力

又根据伽利略斜面实验,归纳出惯性运动是在恒定大小引力作用下的运动,从而明确了第一定律的物理机制,据此为第一定律打了补丁: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补丁并非另起炉灶,而是让牛顿力学更完善。

最后论证了伽利略相对性原理违反事实,而补丁后的第一定律则为舍弃伽利略相对性原理提供了理论依据,这正是为牛顿第一定律打补丁的意义!

 

引言

迄今为止,几乎全部与“惯性”相关的问题都仍是迷。如惯性的起源是什么?为什么惯性运动是沿直线的?为什么无法找到一个真正的惯性系?等等。这些问题,令一代又一代的物理学家纠结不已。这不禁让人产生疑问:惯性定律(牛顿第一定律)本身是否存在瑕疵呢?

物理学以实验为王,就让我们从考证第一定律的实验基础开始侦破这些疑问。

 

一、第一定律的实验基础是伽利略斜面实验

中科院自然科学史研究所阎康年研究员指出:“第一定律的原型是惯性律,对于惯性律的探讨,从古希腊中期至牛顿就有2100多年的历史,……伽利略是科学史上第一个用严格的科学论证提出惯性律的科学家。”[1]

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……于是他推断:若将后一斜面安置成水平,显然球要永远滚下去。

1638年,伽利略在《两门新科学的对话》中把上述的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……,任何物体都不能自己变换运动状态’。”[2] 显然,伽利略斜面实验的结论中,惯性运动是沿水平面的,而不是沿直线

笛卡尔提出的惯性律与伽利略的不同,他的惯性运动是沿直线的,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]

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] 然而,未见牛顿给出相应的实验予以证明

许多人认为“惯性运动是直线运动”是理想化抽象思维的产物,并不需要实验的证明。这种认识显然违背了“物理学以实验为王”的原则。

为了彻底搞清惯性运动是否沿直线,我们应该探究:第一定律所适用的参考系究竟是什么?参考系明确了,惯性运动是否沿直线也就明确了。

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,1989P134

[2] 林德宏《科学思想史》江苏科学技术出版社,2004,P87

[3] 郭奕玲 等《物理学史(第2版)》清华大学出版社,2009P12

[4] 朱鋐雄《物理学思想概论》清华大学出版社,2009P17

 

二、第一定律所适用的参考系是“绝对空间”吗?否

普遍认为牛顿并没有明确给出牛顿定律所适用的参考系。

爱因斯坦分析:“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]

赵凯华先生的《力学》剖析:“牛顿力学的理论框架本身并不能明确给出什么是惯性参考系。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]

郑永令先生的《力学》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]

物理权威们几乎一致推断牛顿定律所适用的参考系就是“绝对空间”。

这个推断主要是传承于马赫对水桶实验的误解,马赫认为:牛顿用水桶实验是为了论证“水”相对于“绝对空间”的转动。马赫对绝对空间的批判在物理学界产生了巨大的影响。[1]

何以见得这是对水桶实验的误解呢?

为了能推知“真正的运动”,牛顿进行了著名的水桶实验:用旋紧的长绳悬挂一个装有水的桶,桶与水都静止,水面是平的,然后让桶随着长绳的回劲而转动,起初“水面保持平坦,因为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。” [4] 可见牛顿用水桶实验只是论证了真实的转动——“绝对运动”的存在

什么是“绝对运动”呢?《原理》中有定义:“绝对运动是物体由一个绝对处所迁移到另一个绝对处所”[4] 这很明确,绝对运动的参照物是“绝对处所”

那么,“处所”和“空间”是同一个概念吗?当然不是!《原理》中定义:“处所是空间的一部分,为物体占据着”。[4] 牛顿在《论流体的重力和平衡》一文手稿中定义得更直白:“处所是为某种东西均匀填充的一部分空间。” [2]

可见,“处所”并不是“空间”,二者决不能混为一谈!

很清楚:水桶实验只是证明了“水”相对于“绝对处所”在作绝对运动。遗憾的是牛顿终生无法具体指出“绝对处所”是什么东西,马赫则把“绝对处所”与“绝对空间”混为一谈,并对绝对空间进行了莫名其妙的批判。马赫的这个误解影响深远,致使普遍推断牛顿定律所适用的参考系就是“绝对空间”。

马赫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。怎么办呢?

参考文献二

[1] 赵凯华 等《力学(第二版)》高等教育出版社,2004P8685

[2] 阎康年《牛顿的科学发现与科学思想》湖南教育出版社,1989P363381

[3] 郑永令 等《力学(第二版)》高等教育出版社,2002P56

[4] 牛顿《自然哲学之数学原理》北京大学出版社,王克迪译,2006P47

 

三、第一定律所适用的参考系是“惯性系”吗?否

为了掩饰无法依据绝对空间确立参考系的尴尬,“在马赫的批判之后两年,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。表面看来,“惯性系”似乎没有“绝对空间”那么空虚,惯性系概念也就逐渐流行起来。

教科书上定义“作为研究物体运动时所参照的物体,称为参考系”,[2] 可见参考系首先得是“物”,但谁也说不出惯性系是什么“物”,爱因斯坦也不得不承认:“究竟是否存在一个惯性系的问题,直到现在还无法决定”。[3]

更糟糕的是,第一定律必须在惯性系中才能成立,而惯性系的确认又依赖于第一定律的成立。爱因斯坦敏锐地指出:惯性系概念是逻辑循环,这“显示出经典物理学中的一个严重的困难,整个物理学都好像是筑在沙堆上一样。”[3]

然而,若放弃惯性系概念,又势必回到采用“绝对空间”的尴尬,这使物理权威们进退两难。于是,现在的教科书上非常矛盾,既写着第一定律应在绝对空间成立,而更普遍的则写着:第一定律只在惯性系中成立。

其实,牛顿力学本来并没有这些尴尬,牛顿力学的惊人成功和巨大贡献也证明了它绝不可能是筑在沙堆上的

这些尴尬主要始于马赫对水桶实验的误解。如果我们能把水桶实验的“绝对处所”指认出来,那么,牛顿力学所适用的参考系自然也就水落石出了

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,1989P378

[2] 赵凯华 等《力学(第二版)》高等教育出版社,2004P8

[3] A.爱因斯坦《物理学的进化》上海科学技术出版社,1979P114155

 

四、“引力场”才是第一定律所适用的参考系

好几本力学教科书上都有关于水桶实验的例题,“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。”答案是:水面为旋转抛物面,物线方程为 z=ω2r2 /(2g) [1] 这表明,水抛物面的唯一外因是“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”,那是何等的简单、明快!这也不是没有理由:因为我们知道,引力场也是一种物质,当然可以被填充在绝对空间中而成为“绝对处所”。

马赫批判绝对空间的理由是:“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。”[2]

如果引力场就是“绝对处所”,那么,水相对于引力场这种物质的转动,难道不正是相对的吗?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?如果当年牛顿能指出水是在相对于引力场这种物质发生转动,那么,马赫还有什么理由批判牛顿呢?“引力场就是绝对处所”这个观点,居然可以把马赫和牛顿对水桶实验的认识协调统一起来,太和谐了。

有人质疑:既然全宇宙物质是通过引力场作用于水的,那么为什么水面方程中仅含地球的引力场强度g,而不含太阳和其他远域物质的引力场强度呢?

其实,答案非常简单:我们不能用静力学理论来分析动力学问题。通俗地说,由于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,太阳对地球的引力,已被地球绕日转动而消耗殆尽,所以桶中的水所能感知的只是地球的引力。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

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”[3] 是同一个意思 ——以太阳为参考系,桶中的水受太阳引力作用而随同地球一起绕日公转;而以地球为参考系,水受到的太阳引力,与水绕日公转的惯性离心力相抵消因此,水对太阳“失重”了,水所能感受的只是地球的引力。这与地球同步卫星中的物体对地球失重是一样的道理,卫星中的物体只能感受卫星对它的引力。

这个理由也可以用来漂亮地解释引力佯谬(纽曼-希林格佯谬)。(该佯谬说:宇宙中存在无数颗恒星,根据万有引力定律,每一颗星体在各个方向上受到其他恒星的引力都无限大,这些星体必然会被撕得四分五裂,因此宇宙中不可能存在一颗颗独立的星体)

还有人质疑,为了定量描述运动,需要在参考系上建立合适的坐标系,而引力场是无形物质,似乎无法在其上选定不动的参照物而建立坐标系。换言之,引力场作为参考系没有可操作性。

其实,牛顿在《原理》中已经给了我们示范,他在研究天体运动时,首先就明确地给出了一个不动的参照物——【第三篇、宇宙体系】中有“定理11:地球、太阳以及所有行星的公共重心是不动的。”牛顿正是依赖这个不动的重心,研究行星的运动,建起了气势磅礴、美轮美奂的宇宙体系。这个静止不动的公共重心,难道不正是太阳系引力场的中心吗?因此,不动的引力场的中心,正是坐标系原点的最佳选择。

物理学家们早已在实践中,用“日心-恒星参考系”研究行星的运动;用“地心-恒星参考系”研究人造卫星的运动;[4] 用“实验室参考系”研究地面物体的运动。实质上,这些都是把坐标原点建立在引力场中心的近似方法,非常实用。

可见,引力场作为参考系的可操作性非常强。

既然第一定律所适用的参考系是引力场,那么惯性运动就是引力场中的运动!而引力场是有心场,在斜面实验中,匀速率小球的惯性运动若“沿直线”,其势能必将越来越大,而唯有“沿水平面”,才不会违反机械能守恒定律。

因此,“惯性运动是直线运动”的观点,不仅不符合斜面实验的结论,也违反了机械能守恒定律

这两个理由相互印证:惯性运动不是直线运动!这就意味着第一定律确实存在瑕疵。

为了修补第一定律的瑕疵,我们还需要彻底搞清楚第一定律的物理机制,首当其冲的问题是:惯性的起源究竟是什么?

参考文献四

[1] 郑永令 等《力学(第二版)》高等教育出版社,2002P94

[2] 赵峥 等《广义相对论基础》清华大学出版社,2012P11

[3] 赵凯华 等《力学(第二版)》高等教育出版社,2004P77

[4] 漆安慎 等《力学(第二版)》高等教育出版社,2005P18

 

五、“惯性”就是万有引力

几百年来,人们对惯性的起源进行了不懈的探索,但至今仍是个迷!

牛顿认为:惯性是“物质固有的力”,它使物体“保持其现有的状态,或静止,或是匀速直线运动”。[1]

而“马赫不同意把惯性看成是物质固有的性质,认为在一个孤立的空间里谈论物体的惯性是毫无意义的,提出惯性来源于宇宙间物质的相互作用”。[2]

物理学家们众说纷纭,莫衷一是。诺贝尔物理奖得主费曼因此哀叹:“没有人找到为什么物体会按惯性而行的原因”。[3]

我认为,破解惯性的起源问题可以从研究“自然运动”着手。

古代的“自然运动”,是一个被广泛注意并做了很多研究的课题。亚里士多德在《物理学》中,把一切运动分为自然运动和强制运动两种,他定义:被自身推动的运动者是自然地运动的。[4] “重物下落是自然运动,天上星辰围绕地心做圆周运动也是自然运动。”[2]

受亚里士多德的启发,我认为可以把自然运动定义为:仅仅在万有引力作用下的运动。依此,自然运动应包括下列五类:

1)静止;2)绕引力中心的匀速率运动——圆;3)开普勒运动——椭圆;4)抛体运动——抛物线;5)落体运动——直线。

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:在万有引力被发现之后,“惯性”则成为化石被保留了下来。因此,惯性实质上就是万有引力

支撑这个推断的论据还有:

1)这个推断具有非常厚实的实验基础——至今的一切实验都证明了惯性质量等于引力质量,精度已高达10-12

2)马赫认为:“惯性来源于宇宙间物质的相互作用”,这个相互作用难道不正是万有引力吗?

3)爱因斯坦指出:“等效原理与惯性质量等价于引力质量这个定律是密切相关的,……正是通过这一概念,我们实现了惯性与引力本质的统一。”[5] 可见,“惯性就是万有引力”观点,与爱因斯坦的“惯性与引力本质统一”观点,是殊途同归 但它比等效原理更简明、更直接,因此也更可信。

为了彻底搞清楚第一定律的物理机制,我们还需要搞清楚的一个关键问题是,什么样的运动才是惯性运动?

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,2006P1

[2] 郭奕玲 等《物理学史(第2版)》清华大学出版社,2009P3713

[3] 邓人忠《物理学基本概念探讨》气象出版社,2010P111

[4] 亚里士多德《物理学》商务印书馆,张竹明 译,1982P229

[5] A.爱因斯坦《相对论的意义》上海科技教育出版社,郝建纲 等译,2005P62

 

六、惯性运动是物体在恒定大小引力作用下的运动

尽管所有的自然运动都是由万有引力——“惯性”推动的,但是,并非所有的自然运动都可以称为惯性运动。

伽利略认为:“如果自然的运动无限制地持续运动下去,就会呈现惯性运动的概念”。[1] 而静止、绕引力中心的匀速率圆周运动、开普勒运动这三种自然运动可以无限制地持续下去,但开普勒运动并不匀速,因此前两者才是惯性运动。

从受力的角度分析:斜面实验中,水平面上作匀速率运动的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,恰等于小球绕地心作匀速率圆周运动的向心力(尽管此向心力非常微弱)。这个向心力是被支撑力抵消后所剩余的引力,其大小恒定不变。

可见,作惯性运动的物体并非不受力,也不是所受合力为零,而是受到恒定大小的引力作用。因此可严格定义:物体在恒定大小引力作用下所作的运动,称为惯性运动

其他三种自然运动,即开普勒运动、抛体运动、落体运动,由于物体与引力中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。

也可以从机械能的角度分析:尽管斜面实验中水平面上小球受到恒定大小的引力作用,但小球在引力方向上没有位移,也就是说,引力并不作功,匀速率小球的势能和动能都保持不变。可见,惯性运动的本质是等势面上的匀速率运动。

如此,第一定律的物理机制已非常明确,打补丁的条件也就齐备了。

参考文献六

[1] 阎康年《牛顿的科学发现与科学思想》湖南教育出版社,1989P141

 

七、补丁后的第一定律符合伽利略斜面实验的结论

牛顿在《原理》中把第一定律表述为:“每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态,除非有外力作用于它迫使它改变那个状态。”

根据已明确了的第一定律的物理机制,我认为,应该把第一定律修正为:

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

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。

第一定律打了这样的补丁,其优越性是明显的: 

1)明确了第一定律所适用的参考系是物体所处的引力场,牛顿力学不再是爱因斯坦所说的那样是“筑在沙堆上”的学说了;

2)第一定律与伽利略斜面实验的结论完全一致了;

3)第一定律不再与机械能守恒定律相抵触了。

许多人可能无法容忍对于牛顿定律的修正,其实,不仅第一定律需要修正,第二定律已早就被修正过了,“对于第二定律,牛顿当时指出了力(F)的作用同动量(mv)的变化成正比。这是不完全的。直至1750年,欧拉才指出应该是动量的时间变化率与外力成正比,即F d(mv) / dt。”[1]

有人不解,既然第一定律存在瑕疵,为什么它能经得起无数的实践检验呢?

参考文献七

[1] 郭奕玲 等《物理学史(第2版)》清华大学出版社,2009P27

 

八、补丁后的第一定律属不变分的积分原理,原第一定律相当于其微分形式

其实,这个补丁只是使得第一定律更完善而已,并不是否定它。

一方面,单从数学角度来看,可以认为,原第一定律相当于补丁后第一定律的微分形式。这是因为,“局部用切线段近似代替曲线段,这在数学上称为非线性函数的局部线性化,这是微分学的基本思想方法之一。”[1] 原第一定律中所指的直线,只是测地线的局部线性化。另一方面,我们通常所研究的地表惯性运动,物体所受引力与支撑力的合力极其微小,可视为零。

因此“只要我们所讨论的问题不是像大气或海洋环流那类牵涉空间范围较大、时间间隔较长的过程”,[2] 原第一定律几乎都有效!甚至比补丁后的更简便、更实用(这是微分学的优势)。

王振发先生在21世纪高等院校教材《分析力学》中指出:

力学原理可分为两大类:不变分原理和变分原理。每一类又可分为两种不同的形式:微分形式和积分形式

不变分原理是反映力学系统真实运动的普遍规律。如果原理本身只表明某一瞬时状态系统的运动规律,称为微分原理,如达朗伯原理就是不变分微分原理。如果原理是说明一有限时间过程系统的运动规律,则称为积分原理,如机械能守恒原理即不变分的积分原理。

而变分原理则不同,它提供一种准则,根据这种准则,可以把力学系统的真实运动与相同条件下约束所允许的一切可能运动区别开来,从而确定系统的真实运动。如果准则是对某一瞬时状态而言的,则该原理称为微分变分原理,例如虚位移原理、动力学普遍方程、高斯最小拘束原理。如果准则是对一有限时间过程而言的,则该原理称为积分变分原理,例如哈密顿原理和拉格朗日最小作用量原理。】[3]

根据这个分类原则,补丁后的第一定律非常妥帖地归属为不变分的积分原理,而原第一定律则相当于其微分形式。动量定理属不变分的积分原理,而补丁后的第二定律则属不变分的微分原理。

如若不对第一定律和第二定律打补丁,则它们都无法按这个分类原则找到恰当的归属。可见,补丁后的第一定律和第二定律,都使得牛顿力学更加完善。

但是,第一定律的这个补丁让牛顿定律有了最优越的绝对参考系,伽利略相对性原理则完全否定绝对参考系的存在,这就产生了严重的抵触。那么,这个补丁还能打吗?

参考文献八

[1] 同济大学数学系《高等数学(第七版)上册》高等教育出版社,2014P113

[2] 赵凯华 等《力学(第二版)》高等教育出版社,2004P43

[3] 王振发《分析力学》科学出版社,2002P110

 

九、伽利略相对性原理严重违反事实

其实,伽利略相对性原理是值得怀疑的。因为这个原理所依据的仅仅是伽利略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,而我们都以舟行不觉的亲身经验很自然地接受了它。物理学史上不乏被经验误导的深刻教训。

爱因斯坦对伽利略相对性原理有个明确的解释:“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]

根据这个解释,我们可以轻易地发现伽利略相对性原理并不符合事实:

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。”[2] 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,宇航员们发现力学定律与地球上的一样有效。

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。[2]

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5个坐标系,难道它们相互之间是在作匀速直线运动吗?当然不是!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事实!

而补丁后的第一定律却可以简明地解释“为什么力学定律在这5个坐标系中都会有效”,因为这些坐标系都固定在所处的引力场中!(至于为什么地球上的力学定律不受太阳引力干扰;为什么电梯、卫星内的力学定律不受地球引力干扰,请参阅第四章中“引力被消耗殆尽”的解释。)

参考文献九

[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,1979P114156159

 

十、这个补丁的意义是为舍弃伽利略相对性原理提供了理论依据

诚如任定成先生在《原理》的【弁言】中所说:“在科学元典里,有讲不完的传奇故事,有颠覆思想的心智波涛,有激动人心的理性思考,有万世不竭的精神甘泉。……科学元典是时读时新的。”我正是在反复研读了《原理》之后,才发现我们原先对牛顿的力学思想有所误解!

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

因为牛顿力学必需引入一个参照物,用以判断各物体是处于静止、匀速运动,还是加速运动状态,若没有这个参照物,牛顿力学就无从谈起。受时代的限制,牛顿无法找到这个无形的东西,但牛顿坚信它的存在!于是牛顿把这个无形的东西称为“处所”,并定义“处所是为某种东西均匀填充的一部分空间”,而“绝对运动是物体由一个绝对处所迁移到另一个绝对处所”。为了证明这个无形参照物(绝对处所)确实是存在的,牛顿又进一步用水桶实验论证了绝对运动的存在,从而间接地证明了这个无形参照物的存在。

爱因斯坦已经意识到:“牛顿引入绝对空间,对于建立他的力学体系是必要的。”可惜他受马赫的误导,把“绝对处所”误认为“绝对空间”!

近代,我们知道了“场”也是一种物质。那么,引力场作为一种物质,当然有资格充任牛顿梦寐以求的参照物——绝对处所。如果牛顿再世,我相信他一定会赞同水桶实验中的水是相对于引力场在作绝对运动,第一定律所适用的参考系就是引力场。

伽利略相对性原理完全否定了绝对运动的存在,这与绝对时空观是格格不入的。但是,原第一定律却与伽利略相对性原理相互支撑,使得牛顿力学成为绝对时空观和相对时空观杂交的理论。

补丁后的第一定律让牛顿力学摆脱了这个尴尬的身份,回归为纯粹绝对时空观理论,这应该是牛顿乐于见到的结果。

伽利略相对性原理明显违反事实,应该被舍弃,而补丁后的第一定律,则为舍弃伽利略相对性原理提供了理论依据,这正是为牛顿第一定律打补丁的意义!

 

上海金标软件有限公司  费邦镜  2017/01/12

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 [2楼]  作者:541218  发表时间: 2017/01/13 12:40 

你就别白费劲……牛顿力学 确实存在着尚待商榷的地方……但都被我于1972年初秋 都思考完毕啦
 [3楼]  作者:541218  发表时间: 2017/01/13 12:44 

譬如,动能的载体(物质形态)是什么?你能回答的出来么?所有这些都被朱顶余于1972年初秋思考完毕啦

(告诉你属于内在的动生电、磁场) 

 [4楼]  作者:541218  发表时间: 2017/01/13 12:49 

非球对称的物体在自由下落状态(含地球卫星如月亮)为什么会取向且保持特定的姿态?所有这些都被朱顶余于1972年初秋思考完毕。
 [5楼]  作者:541218  发表时间: 2017/01/13 12:49 

非球对称的物体在自由下落状态(含地球卫星如月亮)为什么会取向且保持特定的姿态?所有这些都被朱顶余于1972年初秋思考完毕。
[楼主]  [6楼]  作者:费邦镜  发表时间: 2017/01/13 14:55 

很高兴朱大侠关注本帖,谢谢!

不过我只希望您能具体指出我这篇帖子的毛病。这对于1972年秋就对牛顿力学思考完毕的大侠来说,应该是不费劲的,谢谢您!

不要卖关子!也不要扯到“引力温梯”,我还没有达到那个水平,那个我真不懂。
[楼主]  [7楼]  作者:费邦镜  发表时间: 2017/01/17 16:47 

有点想念宋协刚版主!

尽管他说的话很刺耳,很难听,但他确曾指出过我的一个关键漏洞,否则就没有一楼这篇让我自己感觉非常严谨的帖子。

多么希望宋先生继续关注我的帖子。
 [8楼]  作者:愚哥物语  发表时间: 2017/01/25 11:56 

讨论物质运动就必须先明确何为物质?物质有何种基本属性?从此出发才可阐明实质性原理问题。
物质存在最基本拥有两大基本属性即质量和体量。质量和体量在一定范围内是相对相应的,不可能存在有无限巨大质量而无体量之物体;也不可能存在有无质量而拥有无限体量的物品。宇宙间所有事实存在只不过是关于质量存在的大小及其所占空间多少的体量,以及这些物体相互之间的运动过程和相互关联的聚与散问题。至于物质为何可以运动?何才可以加速?什么情况下才可以聚合而增大?为何才可以裂解成碎片?所有这一切都是缘于物质存在有一种本能力,此种本能力是为了维护自身的质量体量存在而天生自然,也由此而成就了宇宙间物质运动的旋涡造物进化历程,成就了今日人类寄居的地球环境。
从物质运动的特征特性来说,牛顿三大运动定律并不完整,简单说来也有以下十大规律:

1. 走后留空档-----任何物体运动离开之后,其原所处的方位上必然留下空档
2. 前行徒伴随-----任何物体运动的道途上总是存在有共向运动的徒伴相随而行
3. 路途总有阻-----任何物体的运动路途内总是存在有阻碍前行的阻力
4. 细弱被强俘-----所有细弱质小的物体必然要归纳于质量强大者的怀襟之内
5. 撞前先推斥-----任何物质实体相撞之前早巳发生相互推斥的作用过程
6. 碰着相互撼-----任何物质实体碰撞之时的相互作用力是相等的(牛顿作用力与反作用力)
7. 离别牵丝走-----任何物体裂解分离之时总是仍存在有某种程度的吸引力而影响分离过程
8. 受力加速度-----任何物体受力作用必然会产生加速度效应(牛顿加速度定律)
9. 惯性静衡过-----任何物体总是处于静止或匀速直线运动倾向(牛顿惯性定律)
10, 轨迹非直线-----任何物体运动的轨迹总是不可能维持几何直线

以上是许宇著《物源论》关于物质运动定律的概括简述,也是牛顿经典物理学说的补充。质疑者可以质询疑惑;异议者可以举证驳击;未明缘由者也可点题寻解;若要深究者也可去参阅原著。
[楼主]  [9楼]  作者:费邦镜  发表时间: 2017/03/01 15:19 

牛顿惯性运动描述正确的原因——马海飞对北相博文发表评论
2017-01-14 23:43:59
伽利略用斜面实验证明惯性运动是不受力运动。这对物理学是一大贡献。伽利略当时描述的惯性运动是沿水平面的运动而不是直线运动。这与后来牛顿描述的匀速直线运动不一致。
在我看来牛顿是正确的。
牛顿的描述是建立在伽利略的基础上并对伽利略理论的完善。
理由是:
1、伽利略对惯性运动的描述比牛顿早。而最早提出的理论通常都是只讲主要的道理而不注重细节。显然,伽利略用斜面实验想要证明的是“惯性运动是不受力运动”而不是为了澄清惯性运动的具体形式是匀速直线还沿着弯曲的水平面运动。这就像当年哥白尼的理论强调的是地球围绕太阳转而不是强调地球围绕太阳转的轨道是正圆形还是椭圆形的道理一样。因此,伽利略的描述不准确的可能性更大。
2、牛顿对惯性运动的描述是把伽利略的描述进行了更准确的加工和提炼之后作出的。这是科学研究中常用的“提纯”方法。也就是把一个单纯的现象从复杂现象中提纯出来的方法。就像化学物质的提纯一样。在物理学中叫做“理想化”。“水平面”涉及到引力问题,而匀速直线运动是一个单纯的惯性现象。在现实的自然现象中引力与惯性运动是相互联系的。但从力学理论上二者是相互独立的。所以有必要把它们分开。

费邦镜老师把惯性与引力等同起来的理由显然是因为:1)天体轨道是圆的而不是直线,再加上2)天体的运动与惯性运动一样是不受力运动。把这两个原因加在一起就会感觉到惯性运动没有必要像牛顿描述的那样一定是直线运动。
但这实际上是错觉。
伽利略描述的那种沿着水平面的惯性运动实际上不是单纯的惯性运动。这种运动与天体在轨道上的运动是一样的。这样的运动实际上是两个相互独立的运动形式合成出来的。这两个运动形式就是1)牛顿描述的那个惯性运动和2)自由落体运动。匀速直线的惯性运动与自由落体运动合成出了天体的圆周运动。伽利略描述的那个水平面上的惯性运动中其实就包含了牛顿描述的惯性运动和自由落体运动。牛顿把惯性运动与自由落体运动分解出来之后的惯性运动形式就是匀速直线运动。
人们对天体的圆周运动与惯性运动一样都是不受力运动的观点基本上是同意的。但很少有人知道天体的圆周运动是惯性运动与自由落体运动合成的结果。就算是知道了也不理解。不理解的原因是不知道自由落体运动是不受力运动。如果知道牛顿描述的那个匀速直线运动的惯性运动与一直处于加速状态的自由落体运动都是不受力运动的话,就明白为什么天体的圆周运动虽然不是匀速直线运动也是不受力运动了。
一孔之见,仅供参考。
来自博文《费邦镜:为牛顿第一定律打个补丁(2017.0版)》


费邦镜答马海飞先生
——惯性运动是不受力的匀速直线运动吗?

首先感谢马海飞先生仔细研读了北相博客2017/1/14发表的《为牛顿第一定律打个补丁(2017.0版)》!并提出了具体的质疑,非常难得!
马先生认为:“牛顿把惯性运动描述为匀速直线运动是正确的”,这当然完全符合现在主流物理学界的观点。
马先生的理由有两条:【1、显然,伽利略用斜面实验想要证明的是“惯性运动是不受力运动”。2、“水平面”涉及到引力问题,而匀速直线运动是一个单纯的惯性现象。】

不知马先生这第1个理由有何依据?我所查证到的史料都不支持这个理由:
如,林德宏先生在《科学思想史》(江苏科学技术出版社,2004,P87)中指出:【1638年,伽利略在《两门新科学的对话》中把上述的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。”】可见,伽利略认为“没有受到任何阻力时”的运动是惯性运动,而不是认为“惯性运动是不受力运动”。
又如,阎康年先生在《牛顿的科学发现与科学思想》(湖南教育出版社,1989,P136)中指出:【牛顿在Ms.Add.3970,fol.652a手稿中,写过这样一段话:所有那些古代人知道第一定律,他们归之于在虚空中的一种运动,因为没有阻力,这种运动是直线的、极快的和永恒的。】可见,牛顿很清楚,古人都认为惯性运动是“因为没有阻力” ,而不是因为“不受力”。
即使是牛顿第一定律本身,也只是说除非有“外力”作用于它迫使它改变惯性运动状态,而并没有说“一切力”都会改变物体的惯性运动状态。相反,牛顿在《原理》中说得非常明白,使物体保持惯性运动状态的恰恰是【力】!这个力就是“物质固有的力”!“这个固有的力可以用最恰当不过的名称,惯性或惯性力来称呼它”。(见王克迪译的《自然》,定律Ⅰ和定义3)
显然,所谓“惯性运动是不受力运动”或“是处于合力为零的条件下”,都是违反牛顿本意的,也是违反伽利略斜面实验结论的,应该都是误解。
这个误解的根子就是因为大家一直不清楚“惯性的起源”究竟是什么!我在第五章已经雄辩地论证了【“惯性”就是万有引力】(请马先生再特别关注一下这第五章!)
在第六章又从两个不同的角度(受力的角度和机械能守恒的角度)分析了伽利略斜面实验,指出了【惯性运动是物体在恒定大小引力作用下的运动】,而并非是不受力!
因此,在我看来,马先生的第1个理由是不成立的。

马先生的第2个理由则是把牛顿的观点——“惯性运动是匀速直线运动”作为了先入之见。
物理学是一门公认的实验科学,以实验为王!而牛顿认为“惯性运动是直线运动”则并无实验基础。
我在第一章指出了第一定律的实验基础是伽利略斜面实验,伽利略斜面实验的结论中,惯性运动是沿水平面的,而不是沿直线。
我又在第二、三、四章充分论证了第一定律所适用的参考系是引力场,惯性运动是引力场中的运动!而引力场是有心场,在斜面实验中,匀速率小球的惯性运动若“沿直线”,其势能必将越来越大,而唯有“沿水平面”,才不会违反机械能守恒定律。
因此,牛顿的“惯性运动是直线运动”观点,不仅不符合斜面实验的结论,也违反了机械能守恒定律。
这两个理由相互印证:惯性运动不是直线运动!
根据我为第一定律所打的补丁可知,牛顿在这里所指的“直线”,只不过是伽利略“水平线”的微分形式,是一种高度近似。

近几年我越来越认识到,牛顿第一定律的瑕疵,是狭义相对论得以成立的病根!把牛顿第一定律研究透彻,挑战相对论才能取得战果。

欢迎马先生继续质疑,谢谢!

费邦镜 上 2017/2/3

[楼主]  [10楼]  作者:费邦镜  发表时间: 2017/03/01 16:29 

费邦镜再答马海飞先生
——惯性运动是不受力的匀速直线运动吗?

目录
一、斜面实验在物理学中的地位无可比拟,其结论不容轻视 1
二、“力”和“惯性”的定义究竟是什么? 1
三、现在教科书上所谓的“惯性力”应该改称为“赝力” 3
四、牛顿第一定律并非是不带泥的萝卜,而只是一小块萝卜 4
五、自由落体运动是不受力运动吗? 5

我的《为牛顿第一定律打个补丁(2017.0版)》发表之后,马海飞先生提出了不少尖锐的质疑,眼光独到,颇有深度,确实不易回答。但这些质疑既是动力,也是方向,促使我更深入地思考一些关键问题。这样的质疑多多益善,谢谢马先生!
我经过反复推敲,现对主要质疑答复如下:

一、斜面实验在物理学中的地位无可比拟,其结论不容轻视
运动问题非常复杂,我们的祖先曾经摸索了几千年还找不到头绪。赵凯华先生指出:是伽利略首先为解决运动问题找到了真正的线索!“伽利略领悟到,将人们引入歧途的,是摩擦力或空气、水等介质的阻力”[1] 伽利略进行了斜面实验,并用严格的推理提出了惯性律:“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”。[2] 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。”[3] 爱因斯坦这个观点得到普遍认同,斜面实验在物理学中的地位是无可比拟的!
因此,斜面实验的结论——1、惯性运动是“水平面”上的运动;2、破坏惯性运动的是“阻力”,而不是所有的力——是不容轻视的。我认为,如果没有比它更强硬的实验,此结论不应轻易改变。
我对第一定律所打的补丁——1、“惯性运动是沿等势面的”;2、“物体在恒定的引力作用下作惯性运动”——都比原第一定律更符合斜面实验的结论。
当然,马先生说得不错,在对“力”、“惯性”等等这些基本概念没有统一定义之前,争论很难有结果。那就让我们先明确一下这些定义。
参考文献一
[1] 赵凯华 等《力学(第二版)》高等教育出版社,2004,P41
[2] 林德宏《科学思想史》江苏科学技术出版社,2004,P87
[3] A.爱因斯坦《物理学的进化》上海科学技术出版社,1979,P4
二、“力”和“惯性”的定义究竟是什么?
其实,牛顿给力下的定义很明确。
中科院自然科学史研究所阎康年研究员指出:牛顿“在1668年左右写的《论流体的重力和平衡》中,他基本上采用了伽利略对力下的定义:力是‘运动或静止的原因’。牛顿这时的力的定义为:‘力是运动和静止的原因,或者是加在某一物体上的外因,或者产生或破坏它的运动,或者至少在某种范围内改变它;或者力是内因,物体的运动或静止由这个内因而保持下来,并且每一个实体由这个内因力图保持它的现有状态并反抗任何阻碍。’这个定义包括外加力和惯性力,但是其基本内容是‘力是运动和静止的原因’”。[1]
而在1887年出版的《原理》中,牛顿则对惯性力和外加力分别进行定义:
【定义3
vis insita ,或物质固有的力,是一种起抵抗作用的力,它存在于每一物体当中,大小与该物体相当,并使之保持其现有的状态,或是静止,或是匀速直线运动。……由此看来,这个固有的力可以用最恰当不过的名称,惯性或惯性力来称呼它。
定义4
外力是一种对物体的推动作用,使其改变静止或匀速直线运动的状态。】[2]
可见,牛顿始终认为,力有内、外之分:改变物体惯性运动状态的是外力,而保持其惯性运动状态的是内力,即物质固有的力——惯性或惯性力!
而现在普遍把牛顿对“外力”的定义看成是“力”的定义,这是不完整的!我说惯性运动是受力(受惯性力)的运动,完全符合牛顿对“力”的定义。
问题是,牛顿说不清“惯性或惯性力”究竟是什么,直至今天,物理学家们仍然没有解决这个悬疑问题!
牛顿认为:惯性是“物质固有的力”,而“马赫不同意把惯性看成是物质固有的性质,认为在一个孤立的空间里谈论物体的惯性是毫无意义的,提出惯性来源于宇宙间物质的相互作用”。[3]
物理学家们众说纷纭,莫衷一是。诺贝尔物理奖得主费曼也哀叹:“没有人找到为什么物体会按惯性而行的原因”。
我认为,破解惯性的起源问题可以从研究“自然运动”着手。
古代的“自然运动”,是一个被广泛注意并做了很多研究的课题。亚里士多德在《物理学》中,把一切运动分为自然运动和强制运动两种,他定义:被自身推动的运动者是自然地运动的。[4] “重物下落是自然运动,天上星辰围绕地心做圆周运动也是自然运动。”[3]
受亚里士多德的启发,我认为可以把自然运动定义为:仅仅在万有引力作用下的运动。依此,自然运动应包括下列五类:
1)静止;2)绕引力中心的匀速率运动——圆;3)开普勒运动——椭圆;4)抛体运动——抛物线;5)落体运动——直线。
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:在万有引力被发现之后,“惯性”则成为化石被保留了下来。因此,惯性实质上就是万有引力!!!
支撑这个推断的论据是多方面的:
1)现在普遍认为自然界只存在四种基本力:万有引力、电磁相互作用力、弱相互作用力、强相互作用力,它们无一例外都是物体间的相互作用。惯性力既然是一种力,就不可能是自身固有的,而只能是物体间的相互作用,这个相互作用应该就是四种基本力之中的万有引力;
2)“惯性就是万有引力”这个推断具有非常厚实的实验基础——至今的一切实验都证明了惯性质量等于引力质量,精度已高达10-12;
3)爱因斯坦指出:“等效原理与惯性质量等价于引力质量这个定律是密切相关的,……正是通过这一概念,我们实现了惯性与引力本质的统一。”[5] 可见,“惯性就是万有引力”观点,与爱因斯坦的“惯性与引力本质统一”观点,是殊途同归! 但它比等效原理更简明、更直接,因此也更可信;
4)郑永令先生编著的《力学》第二版第116页中,在阐述“质点系动量定理”时,对外力、内力进行了解释:“两个质点组成的体系,质点1,质点2,它们各自受到来自体系以外的力(即外力)的作用,两质点之间又存在相互作用力(称为内力)。”受此启发,我认为可以把伽利略斜面实验看成是由小球与地球这两个质点组成的“质点系”,小球与地球之间的万有引力当然就是“内力”,而且这个内力——万有引力——能够让小球保持惯性运动状态不变。根据牛顿对内力的定义,惯性力也是内力。既然万有引力这个内力与惯性力这个内力一样,都可以保持物体惯性运动状态不变,很显然,惯性力就是万有引力。
我在这里没有创造任何新概念和新定义,只是对耳熟能详的概念和定义进行了重新的梳理和透视。
在明确了“力”和“惯性”的定义之后,就不难理解为什么惯性运动也是受力的运动了。
尽管所有的自然运动都是由万有引力——惯性——推动的,但是并非所有的自然运动都是惯性运动。根据对伽利略斜面实验的受力分析可知,只有“物体在恒定大小的引力作用下所作的运动”才可以称为惯性运动。详见《为牛顿第一定律打个补丁(2017.0版)》第六章。

参考文献二
[1] 阎康年《牛顿的科学发现与科学思想》湖南教育出版社,1989,P154
[2] 牛顿《自然哲学之数学原理》北京大学出版社,王克迪译,2006,P1
[3] 郭奕玲 等《物理学史(第2版)》清华大学出版社,2009,P37、13
[4] 亚里士多德《物理学》商务印书馆,张竹明 译,1982,P229
[5] A.爱因斯坦《相对论的意义》上海科技教育出版社,郝建纲 等译,2005,P62

三、现在教科书上所谓的“惯性力”应该改称为“赝力”
我完全同意马先生的观点,“力”在物理学中被滥用了。我认为“惯性力”就是一个典型的例子。
我们看看现在力学教科书上如何定义惯性力:
【在一辆相对于水平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水平地板上,用一条弹簧秤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,弹簧秤上显示了读数,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了。
之所以说这个力是虚假的,是因为它不是物质之间的相互作用,起源不明,它既没有施力物,也没有反作用力。】
我无从考证这里的这个“惯性力”提法最早出自于谁?有什么理由?(可能就是因为这个虚假的力和惯性力同样都起源不明吧)。但把这“虚假”的力称为惯性力,确实造成了极大的混乱。
牛顿在《自然》中写得明明白白:物质固有的力,可以用最恰当不过的名称,惯性或惯性力来称呼它!我在前面已经论证了,惯性或惯性力就是万有引力。可见惯性力既有施力物,也有反作用力,怎么会是“虚假”的力呢?
诺贝尔物理奖得主费恩曼就明智地不把这个虚假的力称为惯性力,而称其为“赝力”;赝力的另一个例子就是通常所谓的“离心力”。费恩曼说:“这些力的出现,只是由于观测者不具备牛顿坐标系这个事实”。[1] 换言之,“赝力”是因为坐标系的变换而出现的!而惯性力显然不是因为坐标系的变换才出现的,按我的观点,惯性力就是万有引力,是真实的力。
请大家不要再把这些“虚假”的力称为惯性力或惯性离心力了!!!
参考文献三
[1] 费恩曼《费恩曼物理学讲义》上海科学技术出版社,郑永令等译,2013,P134

四、牛顿第一定律并非是不带泥的萝卜,而只是一小块萝卜
马先生认为:【牛顿第一定律成立的前提是“在不存在引力场的环境中”。】
其实这只是不少人的臆想,因为牛顿那个年代大家压根就不知道存在引力场这个东西;第一定律能成立,能被普遍接受,根本不是因为排除了引力场这个前提;况且,不存在引力场的环境中连个参照物都没有,如何确认这个孤立物体是静止?还是匀速直线运动呢?
马先生还认为:【伽利略描述的是斜面实验结果中的具体现象。而牛顿把它上升到了抽象的理论高度。这样就自然要把不适合用于理论的“水平”改变成适合理论的“直线”运动。】我认为这是削足适履——凭什么要把实验结果“改变成适合理论”呢?把实验结果抽象为理论当然是必须的,但理论不应该违背实验结果吧!
马先生还用了【一个形象的比方:如果说萝卜是伽利略挖出来的,那就可以说,把萝卜上的泥洗掉的人是牛顿。牛顿的惯性定律“不带泥”。】
在我看来,牛顿把惯性运动是沿水平面的改为沿直线的,并不是洗掉了萝卜上的泥,而是在萝卜上挖了一小块下来,用局部代替了整体——这一小块萝卜皮上的“直线”,其实是局部线性化的曲线,只是一种“近似”。我在《为牛顿第一定律打个补丁》中已指出:【单从数学角度来看,可以认为,原第一定律相当于补丁后第一定律的微分形式。这是因为,“局部用切线段近似代替曲线段,这在数学上称为非线性函数的局部线性化,这是微分学的基本思想方法之一。”】原第一定律中所指的直线,只是“地球大圆”或“测地线”的局部线性化。
许多人都对第一定律居然存在瑕疵感到难以接受,其实不仅仅是第一定律,第二定律也是存在瑕疵的,而且已早就被修正过了。据郭奕玲先生《物理学史》记载:“对于第二定律,牛顿当时指出了力(F)的作用同动量(mv)的变化成正比。这是不完全的。直至1750年,欧拉才指出应该是动量的时间变化率与外力成正比,即F∝ d(mv) / dt。”[1]
爱因斯坦在其《自述注记》中写道:“真正的定律不会是线性的,也不能从线性定律导出。”(摘自杨振宁在德国纪念爱因斯坦诞生125周年大会上的英文演讲稿,由范世藩译,刊登在香港的《二十一世纪》杂志上。)
杨振宁先生完全赞同爱因斯坦的这个思想。我也认为这个思想非常深刻。
而原牛顿第一、第二定律恰恰都是线性的,对于它们的修正非常符合爱因斯坦和杨振宁先生的这个思想。
其实,如果我们再拓宽一下视野,那么牛顿定律的瑕疵也是容易识别的。
王振发先生在21世纪高等院校教材《分析力学》中指出:
【力学原理可分为两大类:不变分原理和变分原理。每一类又可分为两种不同的形式:微分形式和积分形式。
不变分原理是反映力学系统真实运动的普遍规律。如果原理本身只表明某一瞬时状态系统的运动规律,称为微分原理,如达朗伯原理就是不变分微分原理。如果原理是说明一有限时间过程系统的运动规律,则称为积分原理,如机械能守恒原理即不变分的积分原理。
而变分原理则不同,它提供一种准则,根据这种准则,可以把力学系统的真实运动与相同条件下约束所允许的一切可能运动区别开来,从而确定系统的真实运动。如果准则是对某一瞬时状态而言的,则该原理称为微分变分原理,例如虚位移原理、动力学普遍方程、高斯最小拘束原理。如果准则是对一有限时间过程而言的,则该原理称为积分变分原理,例如哈密顿原理和拉格朗日最小作用量原理。】[2]
我们不难发现,如若不对第一定律和第二定律进行修正,则它们都无法按这个分类原则找到恰当的归属!
而补丁后的第一定律,则可以非常妥帖地归属为不变分的积分原理,而原第一定律则相当于其微分形式。动量定理属不变分的积分原理,而补丁后的第二定律则属不变分的微分原理。
可见,补丁后的第一定律和第二定律,都使得牛顿力学更加完善。
参考文献四
[1] 郭奕玲 等《物理学史(第2版)》清华大学出版社,2009,P27
[2] 王振发《分析力学》科学出版社,2002,P110

五、自由落体运动是不受力运动吗?
马先生在《自由落体运动是不受力运动的两个证据》中指出:“自由落体运动本来是物体在质量场中的原始存在状态。是属性状态,而不是因为受力而出现的状态。对这个状态的改变才会出现力。在自由落体运动状态没有被改变之前它是不受力的运动。”在这里,看不出马先生对“运动状态”的定义是什么。
我认为,所谓“运动状态”是指物体运动的速度大小、速度方向、加速度大小、加速度方向这四个要素。需要说明的是:1、这些要素都是相对于确定的参照物而言的,并没有任何运动状态是“原始存在状态”;2、只要相对于确定的参照物,这四个要素中的任何一个要素发生了变化,就表明物体运动状态发生了改变。请问马先生,难道作自由落体运动的物体,其运动状态没有改变吗?
马先生在《造成物理学基本概念混乱的根源是什么?》中为“力”下了个最严格的定义:【对力的完整定义和解释包含着以下这三个方面:
1)力是物质实体(物体)之间直接接触过程中的相互作用。
2)力具有大小、方向和作用点。
3)力是改变物体运动状态的原因。
这是对力的概念和条件作出的最经典、最简明和最严格的定义和解释。只有符合上述这三条的才是真正的力。任何不符合上述三条的都不是真正的力。】
我是第一次看到如此经典的定义,但这第1条我就难以接受:我们可以隔着玻璃,用永磁铁任意改变小钢珠的运动状态,这难道不能证明小钢珠受到了磁力的作用吗?永磁铁和小钢珠这两个实体可是完全没有接触啊!
我认为,仅这第3条就足够了。原先普遍认为“改变物体惯性运动状态的原因就是力”,而根据补丁后的第一定律,“物体保持惯性运动状态的原因也是力”——惯性运动不再是“匀速直线运动”,而是“等势面上一直向前的匀速率运动”,其“速度方向”这个要素在不断变化,作惯性运动的物体始终受到恒定大小的万有引力作用。因此,可以简要地定义:“力是改变物体运动状态的原因”!
根据这个定义,既然作自由落体运动的物体一直改变着运动状态,怎么可能不受力呢?

以上是我目前对这些问题的认识,水平有限,错误在所难免。期盼马先生继续质疑,也期盼更多的网友参与探讨和质疑。谢谢!
一百多年来,人们对相对论的批判从来就没有停息过,但是,相对论依然稳坐钓鱼台。这是为什么呢?我逐渐意识到,这与大家没有认识到牛顿第一定律存在瑕疵有关!因此,对牛顿第一定律进行深入的探讨意义重大。

费邦镜 2017/2/15

[楼主]  [11楼]  作者:费邦镜  发表时间: 2017/03/02 17:09 

马海飞先生:您好!
对您2月16日提出的这些问题,我目前的看法是:

1、我认为用万有引力公式计算出来的那个力就是惯性或惯性力;

2、亚里士多德在他主要论述“运动”的著作《物理学》第233页中确实有结论:“因此任何运动着的事物应该都是在被一个推动者推动着运动。”这似乎也可以理解为“力是维持物体运动的原因”。亚里士多德的这个思想统治了物理学2000余年!
现在普遍认为亚里士多德的这个思想是错误的,因为大家都推断:根据惯性定律,惯性运动并不需要“力”来维持。
其实这个普遍的推断是不成立的:因为直至现在,“没有人找到为什么物体会按惯性而行的原因”(费曼语)。既然大家都不知道“惯性”究竟是什么,我们怎么可以用此来推断呢?
牛顿在《原理》中说得非常明白,使物体保持惯性运动状态的是【力】!这个力就是“物质固有的力”!“这个固有的力可以用最恰当不过的名称,惯性或惯性力来称呼它”。
我已通过严密的推断,指出了“惯性就是万有引力”。因此,说惯性运动并不需要“力”来维持,显然是大家对牛顿力学思想的误解!牛顿的力学思想与亚里士多德的“任何运动着的事物应该都是在被一个推动者推动着运动”观点在本质上是一致的,所谓“亚里士多德的这个思想已被淘汰”只是错觉。

3、万有引力的作用并非没有作用点,而是一个物体上的某一个颗粒受到另一个物体上的无数个颗粒的吸引,反之也一样,是多点对多点的作用。为了便于研究,可以把万有引力的作用点简化为重心对重心(质心对质心)的吸引;

4、现在大概很少有人会怀疑,万有引力是依赖引力场传递的,因此万有引力决不是超距作用,怎么可能是瞬时的呢?
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,莱布尼兹等人就坚持认为,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,这就是所谓的“超距作用”。
这个“超距作用”显然是对牛顿的误解。

5、马先生在《自由落体定律—— 一个全新的物理学定律》中定义了自由落体运动:【在一个理想的自由落体环境(由任意两个相互不接触的物体构成的独立体系,不存在空气和电磁以及运动与力等任何其他因素的影响)中,两个物体之间必定存在着一个相对的变加速运动并保持这种运动状态不变,直到外力迫使它们改变这种运动状态为止。这种变加速的运动形式叫做“自由落体运动”。】
对于这个定义,我一直没搞懂:1)物理学的第一课中就告诉我们,描述运动首先要明确一个固定的物体作为参照物,不知您这个自由落体运动的参照物是什么?2)您这个自由落体环境是什么含义?能举个例子吗?
因为没搞懂这个定义,所以下文也就无法深入学习。

谢谢马先生的深入讨论!
费邦镜 2017/02/24
[楼主]  [12楼]  作者:费邦镜  发表时间: 2017/03/03 10:49 

《费邦镜四答马海飞先生》
马海飞先生:您好!
感谢您对我2月24日《费邦镜三答马海飞先生》的评论。
我想继续深入讨论一下我们的分歧。为叙述方便,我直接在您的原文上进行批注,请谅解。
您的原文如下:【费先生,您好!
一、我总觉着您一直在坚持老旧理论,而不是试着去接受新理论。例如 ,牛顿的理论比伽利略新,您选择伽利略理论。今天的力学理论比亚里士多德的新,您选择亚里士多德的理论。
(费批注1:我从来不以新旧为标准而接受一个理论,我认为迄今最伟大最能被我接受的理论是牛顿力学!但牛顿力学并非完美无缺,亚里士多德和伽利略的理论也并非一无是处!)
我认为,新理论之所以会出现,一定是有其道理的。今天力学理论否定了“力是维持物体运动状态的原因”的观点,这是有其道理的。如果坚持这个旧观念,对力的定义就会变得很麻烦。
(费批注2:在没有明白“惯性究竟是什么”的时候就否定这个观点,这是靠不住的。)
时代是在发展着的。过去的人因为对自然的认识有限,因此才会那样认为。而后人的观点都是建立在新发现的基础上的。如果前人也知道这些新发现的话,估计它们也会与后人有相同的观点。

二、您说:直至现在,“没有人找到为什么物体会按惯性而行的原因”(费曼语)。可是您却没有明确指出:“直至现在”中的那个“现在”是指费曼说那话的时候还是我们现在的2017年。不过从上下文看,您是指现在的2017年。如果是这样的话,我认为您对费曼话的引用是毫无意义的。因为时代已经不同了。现在对“为什么物体会按惯性而行的原因”已经非常明确了,只不过还没有被广泛传播开来而已。关于这个问题的答案在我2011年写的《论物质的惯性》一文中就有了。今天(2017年2月24日)我又把该文修订后重新发布了出来。敬请参考。
(费批注3:现在所有力学教科书上的观点与费曼的观点一致,所以当然我引用费曼的话。
你、我对惯性的理解都还只是一种猜测,并未得到普遍认可,当然是不能作为这个问题的答案而被引用的。)
三、不知您对“力”这个物理概念的确切定义是什么。
(费批注4:我基本上认同牛顿对力的定义:改变物体惯性运动状态的是外力,而保持其惯性运动状态的是惯性力!“力是运动和静止的原因”。
而现在普遍把牛顿对“外力”的定义看成是“力”的定义,这是不完整的!)
根据牛顿的定义,力必须是瞬时的。没有传递时间。
(费批注5:根据牛顿对力的定义,应该无法得出这个结论。)
牛顿正是因为万有引力不符合力的定义才烦恼的。
(费批注6:牛顿并没有这个烦恼。从阎康年的《牛顿的科学发现与科学思想》中可知,牛顿对万有引力的烦恼仅是:1、引力的本质?2、引力的传递机制?)
也就是说,按照牛顿对力的定义,万有引力必须是瞬时的,除非万有引力不是力。

四、万有引力的作用点和万有引力一样都是想像出来的。并不是现实存在的。所有真实的作用点只能出现在物体的表面,不可能出现在物体内部。
(费批注7:程守洙《普通物理学》(第六版)上册第32页中指出“牛顿运动定律一般是对质点而言的”,也就是说,在研究地球和苹果之间的引力时,通常都把两者看成是质点,不存在“表面”还是“内部”的问题。)

五、我在自由落体定律中描述的自由落体参照物就是这两个物体中的一个。这个自由落体环境是理想环境。举例来说就是假设宇宙中除了一个苹果和地球之外没有任何其他存在的环境。苹果相对于地球做加速运动。这不是一个现实环境。但在理论上必须要承认有这样的环境存在。这是理论特有的一个性质。
(费批注8:这就是以地球为参照物嘛,何必要称其为“理想的自由落体环境”呢?通常研究地面物体的运动,难道不是都如此的吗?)
仅供参考。】

我的水平有限,错误在所难免,欢迎马先生继续质疑。谢谢!
费邦镜 2017/2/27
[楼主]  [13楼]  作者:费邦镜  发表时间: 2017/03/04 14:59 

《费邦镜五答马海飞先生》

马海飞先生:您好!
感谢您又提出了一些很好问题。
我仍沿用上一次的方式,直接在您的原文上进行回答。
您的原文如下:

【【费先生:您好!
谢谢您的回答。
为了进一步深入讨论和澄清各自的观点,我想向您再提出以下这些问题:
1、您认为力不需要相互作用的过程吗?如果需要的话,惯性力是什么与什么之间的相互作用?
【费答1:我认为,惯性力就是万有引力,是物体与物体之间的相互作用。地球上物体的惯性力,就是地球对物体的万有引力。】

2、我认为牛顿对力的定义是瞬时的。证据就是在他的定义(F=ma)中没有与力的传递时间有关的项。您认为牛顿对力的定义不是瞬时的。有什么根据?
【费答2:力的定义是谈不上瞬时不瞬时的。而力的传递时间则有“瞬时”、“非瞬时”之分。我认为,实体与实体直接接触所传递的力,其传递时间可以认为是“瞬时”的,因为其距离为零;而通过“场”所传递的力,其传递时间则不是“瞬时”的,因为有距离。牛顿一再坚决反对把引力说成是超距作用,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。”
据果壳网2012-12-29《中国科学家测定引力传播速度》报道,引力的传播速度为光速!这与爱因斯坦当初的设想一致。
(http://www.guokr.com/post/419926/)】

3、您认为物质的“惯性”是一种力吗?一个静止不动的物体有没有惯性?有没有惯性力?有没有万有引力?
【费答3:我认为,惯性就是惯性力,惯性力就是万有引力。既然是“万有”,静止不动的物体当然也受到引力,当然有惯性。
在伽利略斜面实验中,水平平板上静止不动的小球,其受到的引力与平板对其的支撑力相平衡,合力为零。而在水平平板上匀速率滚动的小球,其受到的引力大于平板对其的支撑力,两者之差,恰为小球沿地球大圆匀速率运动的向心力。】

4、您认为惯性力就是万有引力没错吧?然而,万有引力是两个物体之间的力。计算公式里有两个质量:F=GMm/r2。惯性力如果就是万有引力的话,在计算惯性力的时候如果也是用两个质量的话,这两个质量来自哪两个物体?如果只用一个质量的话,惯性力就不是万有引力了。您如何解释?惯性力的计算公式是什么?其方向与万有引力相同吗?
【费答4:地球上物体的惯性力,就是地球对物体的万有引力,当然是来自两个物体。惯性力的方向当然就是万有引力的方向,指向引力中心。另请参考“答3”。】

5、您说“牛顿力学理论并非完美无缺”。请问“牛顿力学的不完美”之处是什么?您把匀速直线的惯性运动改成水平惯性运动,其优越性表现在什么地方?
【费答5:牛顿力学的不完美之处就是其第一定律有瑕疵!
我认为,应该把第一定律修正为:
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。
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。
第一定律打了这样的补丁,其优越性是明显的:
1)明确了第一定律所适用的参考系是物体所处的引力场,牛顿力学不再是爱因斯坦所说的那样是“筑在沙堆上”的学说了;
2)第一定律与伽利略斜面实验的结论完全一致了;
3)第一定律不再与机械能守恒定律相抵触了。
另外,如若不对第一定律打这个补丁,则它无法按力学原理的分类原则找到恰当的归属。
详见我《为牛顿第一定律打个补丁(2017.0版)》。】

6、您是否把天体的圆周运动看成是惯性运动?在这个运动过程中惯性力的方向指向何方?
【费答6:根据我修正后的第一定律,:物体在恒定大小引力作用下所作的运动,称为惯性运动。那么,地球同步卫星的运动就是惯性运动,而其他天体的运动一般为开普勒运动(椭圆),因为它们与引力中心的距离在不断变化,引力当然也随之变化,所以都不是严格的惯性运动。天体的运动轨迹越接近于圆,则越近似于惯性运动。
伽利略认为:天体的等速圆周运动也是惯性运动。(郭奕玲《物理学史》P12)】

7、您认为自由落体运动是受力运动还是不受力运动?
【费答7:我认为自由落体运动是受万有引力作用的运动。】

8、理想的自由落体运动环境,如果举例来说就是假设宇宙中除了一个康乐球和月球之外没有任何其他存在的环境。这与地球参考系还有关系吗?
【费答8:根据你的假设,地球根本不存在,怎么可能还与地球参考系有关呢?】

9、您对一个观点或知识的正确与否是以出处进行判断还是以是否符合客观事实进行判断?设身处地地想想,假设您是处于哥白尼提出日心说的时候,您是否会用“现在所有力学教科书上的观点与费曼的观点一致,所以当然我引用费曼的话。你、我对惯性的理解都还只是一种猜测,并未得到普遍认可,当然是不能作为这个问题的答案而被引用的。”这样的态度对待哥白尼的“猜测”呢?您认为这样做对吗?
【费答9:费曼说“没有人找到为什么物体会按惯性而行的原因”,教科书上也是这个意思,我引用一下应该也是可以的。
你、我,还有张三、李四都认为自己找到了惯性的起源,都认为自己就是哥白尼,这当然是允许的,但在尚未得到普遍认可的情况下,教科书上只能说这个问题尚未解决——谁知道究竟哪一位是真的哥白尼呢?】

如果您对我也有任何问题的话,欢迎提出。
谢谢!
马海飞】】

马先生提出了不少很有深度的问题,促使我清理思路。谢谢!
欢迎马先生继续质疑。

费邦镜 2017/2/28

 [14楼]  作者:马英卓3  发表时间: 2017/03/09 13:09 

看看,是不是小精灵在审核。这真麻烦。
 [15楼]  作者:马英卓3  发表时间: 2017/03/09 13:09 

费邦镜先生您好:我看了你的此帖子。这正是我这辈子搞的课题。所以,我当然感兴趣了。所以,我可以对你的如此文章说一下我的看法吗?如果可以,可以到百度贴吧的反相吧,我在那里对你的论文做一下交流。可以说比较详细的交流。你如果回答可以。我就开始。
[楼主]  [16楼]  作者:费邦镜  发表时间: 2017/03/09 21:41 

马英卓先生:您好!

很高兴您与我有相同的兴趣,我当然愿意去反相吧参加讨论。请!

 [17楼]  作者:马英卓3  发表时间: 2017/03/10 14:28 

楼主您好:由于最近一段时间杂务繁忙,就不继续交流了。交流双方都需要有个立论前提,在各自的前提下作为“标准”来进行。如果以后有时间,再说。你可以先参考我写的文章的“标准”:【牛顿力学基础的变革提纲】。用此文章名称作为关键词,在网上可以搜索到。
 [18楼]  作者:马英卓3  发表时间: 2017/03/10 15:24 

楼主:我由于现在一段时间有事。就不参与交流了。也许以后有闲时间可能会详细的交流。但是,交流说对方的问题,那起码需要自己也必须有个“标准”,作为对对方的不同看法的前提条件。下面是就先把我的比较集中的观点的文章网址给你,你可以先看看我的“标准”。
http://www.cn-teacher.com/runwen/xklw/wl/200809/406356.html

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