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复活以太(第六章)
[楼主] 作者:费邦镜  发表时间:2019/06/05 16:33
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第六章  总论

 

早先的物理学家普遍认为,真空中应该有一种叫做“以太”的无形物质,但大家一直都找不到它。1905年,爱因斯坦彻底否认了以太的存在,从而创立了“狭义相对论”

然而,在创立了“广义相对论”之后,爱因斯坦才发现——“依照广义相对论,一个没有以太的空间是不可思议的;因为在这样一种空间里,不但光不能传播,而且量杆和时钟也不可能存在,因此也就没有物理意义上的空间-时间间隔。[5]②

1920年开始,爱因斯坦又坚决主张“复活”以太。 1920122日,已初步认识到:“我们可以说,以太在广义相对论中已经复活了。”[10]⑤ 19201027日,他又进一步把复活以太的思想扩展到全部力学范畴:“更加精确的考察表明,狭义相对论并不一定要求否定以太。”[5]③ 否认以太的存在,最后总是意味着承认空虚空间绝对没有任何物理性质。这种见解不符合力学的基本事实。”[5]④ 直到1952年,他仍在为“复活”以太而努力,他指出:“笛卡尔认为一无所有的空间并不存在的见解与真理相去并不远。”[16]②

遗憾的是,直至去世,爱因斯坦也没能把以太“复活”。

时至今日,几乎所有的教科书对“爱因斯坦欲复活以太”这一重要史实都闭口不提。

中科院物理所的涂涛先生和郭光灿院士 在我国《物理》杂志2018年第9期上发表的《真空不空》一文中指出:爱因斯坦的相对论给予经典的以太概念以致命的一击,至此,经典的以太论被人们所抛弃。有趣的是,爱因斯坦在晚年时期,为了统一场论,对以太的概念情有独钟,曾亲切地称之为‘我们的以太’。可见,尽管经典的以太概念不正确,但是新的以太概念必将在物理学基本问题中占有至关重要的地位。”[17] ——言下之意是,“经典的以太”根本就不应该被复活!

不过,笔者认为,爱因斯坦欲复活的以太,应该就是先前被他枪毙了的那个“经典以太”!否则,他就不会说,“以太在广义相对论中已经复活了”——如果不是那个已被枪毙了的“经典以太”,谈得上“复活”吗?

笔者相信,但凡有一丝可能,爱因斯坦也不会去“复活”这个曾经被自己亲手枪毙了的以太!况且,他“复活”以太并非毫无进展。

应该说,爱因斯坦离成功地“复活”以太,仅隔了一层“窗户纸”

既然他已经明白,“没有任何一种空间,而且也没有空间的任何一部分,是没有引力势的;……引力场的存在是同空间的存在直接联系在一起的”,[5]② 那么,说他实际上已经发现了“引力场”就是以太,一点也不为过

给人启发的是, 爱因斯坦还认为: “牛顿同样也可以恰当地把他的绝对空间叫做‘以太’”,[5]④“牛顿的‘绝对空间’不是别的,实际上就是我们今天所说的‘以太’”[5]⑥

牛顿的“绝对空间”怎么就是以太了呢?我们原先只知道:爱因斯坦认为,牛顿运动方程中的加速度是相对于“绝对空间”而存在的;[4]③ 爱因斯坦还认为,牛顿是用“水桶实验来证明……必须有另一种决定运动的东西……就是对于‘绝对空间’的关系”。[4]④

那么,爱因斯坦又说牛顿的“绝对空间”就是“以太”,是否意味着,牛顿运动方程中的加速度是相对于“以太”而言的?牛顿用水桶实验是为了证明“以太”的存在?“以太”就是牛顿力学定律的“特选参考系”

沿着爱因斯坦的这个思路,笔者发现,马赫和爱因斯坦都严重误解了牛顿的“水桶实验”、“绝对运动”和“绝对处所”这导致他们把牛顿力学定律的特选参考系——绝对处所——误解为“绝对空间”了。如果把这个误解纠正过来,那么,爱因斯坦就应该说:牛顿的“绝对处所”不是别的,实际上就是我们今天所说的‘以太’

顺藤摸瓜,笔者发现牛顿水桶实验的“绝对处所”恰是“引力场”,由此可推断:“引力场”这个“绝对处所”应该就是以太!

让人高兴的是:用“引力场就是以太”这个观点,1)可以合理解释牛顿水桶实验,牛顿力学定律因此而拥有了“引力场”这个明确的特选参考系2可以非常圆满的消除所有探寻“光以太”的实验所产生的矛盾,光速恒定也因此而拥有了“引力场”这个明确的特选参考系3更可以让牛顿的期望——用以太来把超距作用归结为接触力[4]——得以实现。

这就使得爱因斯坦先前的发现——引力场就是以太——得到了印证。

尽管实际上爱因斯坦已经发现了“引力场”就是以太,然而,对于“相对性原理”的深度迷信,使得他无法将“引力场”这个以太复活

因为根据“以太论”,光速恒定是相对于“以太”而言的![7] 若明确了实实在在的“引力场”就是以太,那么,光速恒定就是相对于“引力场”这一个“特选参考系”而言的了。

“特选参考系”的存在,显然违反了狭义相对论的第一条基本原理——相对性原理。显然,爱因斯坦无法违反“相对性原理”而让“引力场”这个以太复活!

其实,“相对性原理”并不值得我们迷信

首先,相对性原理必须以“惯性系”为前提。然而,“惯性系”概念的引入,却是因为马赫把牛顿水桶实验的“绝对处所”误解为“绝对空间”了,这才使得牛顿力学定律陷入了缺失“特选参考系”的尴尬。正是为了掩饰这个尴尬,在马赫批判牛顿“绝对空间”之后两年,惯性系概念才“应运而生”[3]⑥  爱因斯坦早已发现:惯性系概念是同语反复、循环论证;[13]③究竟是否存在一个惯性系的问题,直到现在还无法决定”;[13]② 引用惯性系概念,使得“整个物理学都好像是筑在沙堆上一样”。[13]③ 可见,“惯性系”概念根本就是一个错误概念!那么,以“惯性系”作为前提的相对性原理还有可能成立吗?

其次,我们发现,力学定律在关联于地球、太阳、月球、自由飞行航天器、自由落体电梯的各个坐标系中,“都”非常有效,而这些坐标系相互之间却并非作匀速直线运动。如此“违背事实”的相对性原理,难道值得我们迷信吗?

再次,我们还发现:爱因斯坦充满自信的那个支持相对性原理的“十分强有力的论据”——地球的物理空间是各向同性的[16]⑥——居然违背了“布拉德雷光行差现象”和“原子钟环球航行实验”这两个铁证,我们凭什么还要继续迷信相对性原理呢?

可见,“许多著名的理论物理学家比较倾向于舍弃相对性原理”,[16]④ 是何等的英明!

 

但是,即便知道了“相对性原理”如此违背事实,仍有许多人不敢相信真的可以就此舍弃它。因为他们都有一个与爱因斯坦相同的信念:“‘静止’和‘匀速(直线)运动’在物理上是等价的。”[37]  而“相对性原理”与“惯性定律”的本质都是“静止状态与匀速直线运动状态的等价性”,[15]② 这就意味着“相对性原理”与“惯性定律”是相互支撑的。普遍担心:如果舍弃了相对性原理,将导致惯性定律的垮塌!

要消除这个担心特别艰难,因为普遍存在三个根深蒂固的误解!

第一个误解——“惯性”是物体的固有“属性”,而不是“力”

其实,牛顿在《原理》中明确定义了两种力——用“定义3”定义了“惯性(惯性力)”,用“定义4”定义了“外力”[20]

爱因斯坦也坚决反对惯性是物体的固有属性,他明确指出,“惯性必须归结为物体之间的相互作用”;[10]⑨ 他还不容置疑地断言,“惯性质量和引力质量在数量上的相等必须追踪到本质上的相同。”[10]⑩ 他甚至直白地说:“引力与惯性能够是同一的吗?这个问题直接导致了广义相对论。”[10](11) 因此可以推断:惯性就是万有引力!

然而,如果惯性就是万有引力,那为什么物体在这个“力”的作用下,不会产生“加速度”,而保持“惯性运动”状态不变呢?

这就是由于第二个误解——“惯性运动”是指“匀速直线运动”

其实,伽利略依据“斜面实验”归纳出来的“惯性运动”并非是匀速直线运动,而是绕地心、沿圆周、速度均匀的永恒运动。[43][31]③ 沿圆周的惯性运动当然具有向心加速度,这个向心加速度正是恒定大小的万有引力所产生的!

正确地说:物体在恒定大小的万有引力作用下,绕引力中心、沿等势面的匀速率圆周运动,才是真正的惯性运动。只有这样的惯性运动才不会违反机械能守恒定律,也才能够具有合理的物理机制;300多年来,惯性运动一直没有物理机制的悬疑才能够被破解。

问题是,否定了“惯性运动是沿直线的”,岂不是等于颠覆了“惯性定律”吗?

这就是由于第三个误解——牛顿第一定律也就是“惯性定律”

其实,伽利略提出的惯性定律,才是真正的惯性定律!而牛顿第一定律则是“伽利略惯性定律”的“微分形式”;牛顿第一定律只是一个把非线性的“伽利略惯性定律”进行了局部线性化的“数学近似”!

具体地说,“伽利略惯性定律”所说的惯性运动为“圆周”运动,是讲的“整个运动”[4]⑤;而牛顿第一定律所说的“直线”运动,是指该“圆周”运动“在一个无限短的时间内应该如何变化”[4]⑤ ——牛顿第一定律中的“直线”,只不过是伽利略惯性定律中“圆周”的局部线性化!

唯有这样,线性的牛顿第一定律才能够依据“力学原理的分类原则”[47] 找到自己恰当的归属——不变分的微分原理。正如牛顿第二定律也属于不变分的微分原理一样。[24]④

这就印证了爱因斯坦和杨振宁先生的观点:真正的定律不会是线性的![46]

而正是依据牛顿第一定律这个“数学近似”,我们错误地认为——惯性运动是沿直线的;静止与匀速直线运动是等价的;相对性原理与惯性定律是相互支撑的

消除了这些误解,我们当然就不会担心“舍弃相对性原理会导致惯性定律垮塌”了!

 

总而言之,“相对性原理”违背事实的铁证如山;“相对性原理”也得不到“惯性定律”的支撑。因此,无论我们如何偏爱“相对性原理”,也应该毫不犹豫地舍弃它

如果当年爱因斯坦能捅破“相对性原理”这层“窗户纸”,那么,他就不会仅仅说,“引力场”同“以太”有直接关系,而会直截了当地说,“引力场就是以太”

那样的话,以太就可以提早100年被“复活”了

正所谓:众里寻他千百度,蓦然回首,那人却在,灯火阑珊处!     

 

2019213  于上海叶榭

feibangjing@163.com

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 [2楼]  作者:郭连成  发表时间: 2019/06/09 15:40 

老达子唱戏
 [3楼]  作者:wehj54321  发表时间: 2019/06/12 16:31 

“圆周运动才是惯性运动”与凡伟的“电子不存在”有得一比,这么基础的低错,怎会有人参与讨论
[楼主]  [4楼]  作者:费邦镜  发表时间: 2019/06/13 09:05 

[2楼] 郭连成 先生: 谢谢您的关注!

[3楼] wehj54321 先生:

空喊口号无益于学术讨论,期待您指出“匀速率圆周运动才是惯性运动”错在何处?

谢谢!

 [5楼]  作者:wehj54321  发表时间: 2019/06/15 21:46 

对4楼

点到这里还不明白,证明基础太差,再讨论也不可能明白
 [6楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/06/17 09:03 

费先生:
“惯性运动”最初是把它定义成了“不受合外力时的运动”,并没有把它定义成机械能不变的运动。抛开启动加速和停止减速的过程,塔吊从地面匀速提升重物的时间段,重物所做的运动也算是惯性运动。这时物体体系的势能是会增加的。这其实是很难让人接受的,但是按定义走就是这样,没有办法。

又比如,人匀速爬山,按定义走,人做的也是惯性运动,这其实明显不合情理。

那么我们是否可以改变“惯性运动”的定义方法呢?比如我们可以把它改成“物体势能、动能都不变时的运动为惯性运动”呢?如果这样改的话,在水平直轨道(不考虑地面弯曲)上克服风阻、磨阻后保持匀速直线运动的列车依然是做惯性运动的。其实这依然有不太合情理的地方,毕竟火车从北京开到上海,不是靠惯性游荡过去的。不过我们还可以理解成列车受到主动的外部摩擦力刚好和受到被动外部摩擦力相抵消后,即列车靠动力补偿摩擦产生的能量损失维持惯性运动的。
更好的定义方法是:物质体不参与能量转移的运动为惯性运动。



 [7楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/06/19 02:38 

真正做惯性运动的物质体,它自身应该只有一个有限的动能。如果它在运动中遇到阻力,如摩擦力,它应该消耗自身的动能而减速,所以惯性运动并不应该定义为速度不变的运动。应该是只有在阻力为零时,惯性运动才是匀速直线运动。
 [8楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/06/19 08:59 

比如说一辆正在行驶的汽车的速度v0是50米/秒,它的质量m是2000千克,它和地面的动摩擦系数μ是0.01,取g=10米/秒秒,不考虑空气阻力。在t=0时,汽车开始空挡靠惯性前行,问在t=10分钟时,汽车走出了多远?

解这个题,先计算出汽车受到的阻力f=-200牛顿,与汽车运动方向相反、汽车的加速度a是-0.1米/秒秒,如果这个题按照S=v0t+(1/2)at^2,直接把t=600秒代进去计算,得出的答案如果是s=12000米,那就一定错。

正确计算一定要先计算出它减速到零所需要的时间t,用v0=-at计算出t=500秒,这时再代入式子,才能得出正确的距离s=10000米。

这个题告诉大家:在汽车尚有速度时,滚动摩擦力存在;在汽车的速度到零后,这个摩擦力不再存在。这个摩擦力不能再当作作用在汽车上的合力了。这500秒内,汽车所做的运动都是惯性运动,虽然它是减速的。

如果用现有的惯性运动的定义,这个靠消耗原有能量克服摩擦力走的这个10000米,就不是惯性运动!

若对“惯性运动”概念给出不同的定义,也会得到不同的理解,这很正常。从我给出的这几个理由看,其实我也是对现有的惯性运动的定义不满意,但是对已经定义了的,也得接受。

 [9楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/06/19 08:59 

其实枪炮射出的弹头,在静止空气中就是消耗自身的动能靠惯性向前运动的。它所遇到的是阻力。它的速度不是阻力所提供的而是被阻力所衰减的,在不更换参考系来回说的情况下,消除阻力并不能使弹头速度增加。如果弹头没有了速度,也同时没有了阻力,弹头也不会加速起来。比如弹头从空气中射入大的真空容器后弹孔随即修复,则弹头不再受到阻力,但速度也不会增加。弹头在空气中和在真空中的运动(减速运动和匀速运动)都应该算惯性运动。
 [10楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/06/19 08:59 

在一个参考系中判断惯性运动的方法是,除去组成所受合力中的阻力成分后,原来匀速运动的物质体会产生加速,该物质体原来所做运动不是惯性运动。做惯性运动的物质体,只可以维持或释放自身原有的动能。如果运动物体随时释放能量而速度还依然不降低,则该物质体的运动不是惯性运动,即使它依然还在做匀速直线运动。吊车匀速下降重物时,重物释放能量,但速度不降低,就是例子。
 [11楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/06/19 09:00 

在有势场中移动受场力的物质体,是需要外力做功(正功或负功)的,万有引力场是保守场,也是有势场,因此在该场中运动的物质体也都是受力物质体。这些物质的运动如果没有其它外力和场力平衡,它们都是加速(含减速)的。即使有外力(如吊车的拉力)和引力抵消为零,保持物质体匀速直线在场中升降,外力所做的功并不是完全和消耗的热能相等,物质体在这些过程中是储存能量或释放能量的。因此,凡是物质体的运动是和场的等势面不平行的运动,即使它是匀速直线的,也不应该叫惯性运动。比如,在重力场中因空气阻力作用而匀速下降的雨滴,不应该叫做惯性运动的物质体,因为如果除去空气的阻力,雨滴还会加速,而真正做惯性运动的物体,有没有阻力都不会继续加速。
[楼主]  [12楼]  作者:费邦镜  发表时间: 2019/06/21 13:22 

王先生:
很高兴您也是对现有的惯性运动的定义不满意。

我认为,“惯性运动”应该是由“惯性”维持的运动。我已论证了“惯性”就是万有引力。
根据亚里士多德的思想,我们可以把自然运动称为“在万有引力作用下所做的运动”。
而伽利略指出: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。
可见,“惯性运动”就是一种无限持续的自然运动。因此,“惯性运动”应该是由“万有引力”维持的无限持续的运动。
这就意味着并不能把“匀速直线运动”称为“惯性运动”!
 [13楼]  作者:liuliuliu123  发表时间: 2019/06/23 14:59 

“惯性运动”从字面上和推理逻辑上看,都不能成为一个概念。
物体运动有多种形式如匀速-变速、直线-曲线,....但没有惯性运动-非惯性运动之说。物体有惯性大小,运动是描述物体空间位置改变情形的,不是描述惯性位置改变情形的。严格的说法里绝不会有惯性运动。
 [14楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/06/23 17:05 

[13楼]说得不错。惯性不过是物质对外的一种表现,受力的、不受力的都有这种表现。哪种运动中不体现惯性?
 [15楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/06/23 17:25 

牛一是多余的。我以前就说过,牛一不过是牛二的一个特例,完全可以只用牛二的增强叛F=d(mv)/dt来概括。
 [16楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/06/23 22:19 

没有外部物质对一个运动物体施加作用,该物体保持原来的状态不变是合情合理的。不受作用的运动物体保持状态不变无须什么惯性去维持。
 [17楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/06/24 17:42 

如果只用牛二增强叛F=d(mv)/dt的表述,牛一不过是mv=const.时的一种特殊情况。牛一就是用特殊情况下的一种运动形式去定义了惯性运动,它就会和普通情况下的运动情形产生矛盾或理解障碍。
 [18楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/06/25 17:28 

[15楼]、[17楼]中的“增强叛”应为“增强版”。
[楼主]  [19楼]  作者:费邦镜  发表时间: 2019/06/30 17:11 

王先生、liuliuliu123 先生:迟复为歉!

请问王先生,您认为,牛一和牛二,所适用的参考系是什么?
 [20楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/06/30 17:54 

[19楼]费先生:
适用它们的参考系是真惯性系。
 [21楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/07/01 17:45 

牛顿运动定律是一个理想环境(不考虑有场物质)下的运动定律,严格地说宇宙中并不存在一个这样的大环境,因此物质体在高速下由于和场物质会发生作用,也会在没有外力时受到场物质的力。
 [22楼]  作者:郭连成  发表时间: 2019/07/01 17:45 

回4楼,应该说:匀速圆周运动“也”是惯性运动。
[楼主]  [23楼]  作者:费邦镜  发表时间: 2019/07/09 17:11 

【20楼】王先生:
根据参考系的定义——“这些作为研究物体运动时所参照的物体,称为参考系”。可见参考系首先得是“物”,不知您的“真惯性系”是什么“物”?
谢谢!

【22楼】郭先生:
很高兴您意识到匀速圆周运动“也”是惯性运动,我期待您进一步意识到“匀速直线运动”并不是惯性运动。
谢谢!
 [24楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/07/09 19:58 

[23楼]费先生:
真惯性系不是物。真惯性系是一个以场物质为参考物的参考系。在真惯性系中,所有的场物质都在一个平均位置运动,没有宏观的运动。真惯性系是在宇宙中选一个局部并理想化后出来的一个参考系。在真惯性系中,所有场物质平均位置不变,做着各向同性的碰撞。在真惯性系中,场物质密度处处均等。
 [25楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/07/09 20:18 

我们知道,地面上静止的空气中的气体分子每个都有几百米/秒的平均分子速率,任何一个气体分子都不能作为一个参考物去建立一个观察气球的参考系。但是我们如果选一立方公里的体积的空气,这里所有的气体分子的平均速度就是零,我们就可以把这1立方公里的气体作为参考物,建立参考系。如果这1立方公里的空气,每个气体分子都有10米/秒的向东的速度,我以这块空气定义的参考系相对地面也有10米/秒的速度,但是在我定义的这个参考系中,所有气体分子的平均速度都是零。
 [26楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/07/09 20:23 

不以一个具体物体作为参考物,而以多个小物质体的平均位置构成的大物质体作为参考物去建立参考系,是我的创举,是史无前例的。
 [27楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/07/09 20:33 

在真惯性系中,所有场物质都是静止的,这个静止不是微观静止,而是宏观静止。
 [28楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/07/09 20:45 

假如一个封闭小房间中有赤橙黄绿青蓝紫七个气体分子在进行无休止的碰撞,这七个气体分子就有和小房间一样的平均速度,不管微观上它们都有多大速度。用这七个分子构成的气体作为参考物建立的参考系,等价于用房间构成的参考系。当然,在有房间存在时,我们没必要用这七个气体分子组成的气体去构建参考系,但是在没有房间存在的时候呢?比如我们处于宇宙中一块空间时,周围并没有可见参考物,只有不断运动的场物质,这时我们就要发挥想象,把这些运动的场物质的平均位置找出来,并作为一个整体参考物来建立参考系。
 [29楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/07/09 20:53 

比如我们乘坐一个飞船遨游在太空中,这个飞船可以有各种运动速度和方向。在飞船所到的任意一个空间位置,飞船舱内的所有场物质都有一个平均速度。总有一个飞船状态(速度大小和方向)满足舱内场物质平均速度为零。该状态下的座舱,可看作一个真惯性系。
 [30楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/07/09 21:20 

在真惯性系中,低速运动的物体相对场物质也是低速的,所以真惯性系是最适合低速状态下的物体使用牛顿运动定律。如果有一个参考物是接近光速的,以这个参考物建立的参考系中就有和运动方向反方向的场物质流,则牛顿运动定律在此并不十分适用。

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