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相对运动和绝对运动
相对性原理起源于伽利略大船。 在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书中，伽利略确定了这样一个有巨大原则意义的事实：任何一个相对于伽利略系处于匀速直线运动的坐标系，在描述力学过程方面同伽利略系完全等效。在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中，他借萨尔维阿蒂之口精彩地描述了在一个匀速直线运动的船舱里发生的力学现象，他写道： “把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里，再让你们带几只苍蝇、蝴蝶和其它小飞虫。舱内放一只大水碗，其中放几条鱼。然后，挂上一个水瓶，让水一滴一滴一地滴到下面的一个宽口罐里。船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐子中。你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向用更多的力。你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相等。当你仔细地观察这些事情后，再使船以任何速度前进，只要运动是均速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化，你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。既使船运动得相当快，在跳跃时，你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远，虽然你跳到空中时脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。你把不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自已站在对面，你也并不需要用更多的力。水滴象先前一样，滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾，虽然水滴在空中时，船已行驶了许多Span(1Span=9英寸)。鱼在水中游向水碗前部所用的力，不比游向水碗后部来得大；它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。最后，蝴蝶和苍蝇继续随便地到处飞行，它们也决会向船尾集中，并不因为它们可能长时间留在空中，脱离了船的运动，为了赶上船的运动显出累的样子。” 伽利略的这一精彩描述是完全正确的。 但是这一精彩描述突出了相对运动，掩盖了绝对运动。 从哲学上的对立统一规律来看，运动既有相对的一面，也有绝对的一面。突出任何一方的做法都是不全面的从而也是不可取的。 什么是绝对运动呢？绝对运动是真运动。也就是物体本身在作真正的运动。什么是相对运动呢？站在运动坐标系上有这种可能：如果认为运动坐标系本身不动，观察的物体看起来就在向相反方向运动，但所观察的物体自身并不作真正运动。物体的这种运动就叫做视运动或相对运动。 如果认为所处的坐标系本身不动，观察的物体看起来就在向相反方向运动。请注意这里的“如果”一词是假设的意思，既然是假设就有可能是对的也有可能是错的。所处的坐标系本身真的不动，我们看到运动才是真实的。所处的坐标系本身真的在运动，我们假设它不动，观察的物体仅仅是看起来向相反方向运动。由于假设错了，我们看到运动也就不是真实的，没有客观地反映物体真实的运动状况。千万不要认为眼睛看到的运动就一定是真实的，例如历史上的地心说就是犯了这一错误，因为人们看到的太阳的升落不是太阳的真运动。 伽利略大船为什么要密封不透光呢？不要作力学试验，只要开一个玻璃窗以地面作为参照系就立刻知道船相对地面是运动的还是静止的。 如果站在伽利略大船玻璃窗前就会发现两岸在倒退。但如果站在地面上就会发现伽利略大船在前进。究竟是地面在运动还是船在运动呢？从船的动力可以得出是船在运动，因为船有帆、浆或动力机。地球除了惯性运动外是没有任何动力能拖动它的。因此，伽利略大船在前进是真运动和绝对运动；地面在倒退是视运动或相对运动。 一方在运动一方保持静止的绝对运动和相对运动还有一种简单通用的鉴别方法。同时在两艘速度不同的伽利略大船上观察地面的后退运动，就会发现同一地面同时有不同的运动速度。这是不可能的，所以地面是不动的，船的运动才是真运动。同样地，在地球和其它行星上同时观察太阳的升落周期，它们是不一样的，这也不可能是太阳在绕行星转动，只可能是行星在绕太阳转动。 有时候，两个物体相互运动的状态是非常复杂的。例如铁路复线上对开的列车。我们不能简单地判断它们的运动是否真运动。一般地，站在一方看到对方的运动不全是相对运动，也不全是绝对运动，是这两种运动混合。 铁路复线上对开的列车A和B，A对路基的速度是120公里/小时，B对路基的速度是80公里/小时。在列车A上观察列车B以200公里/小时后退，这200公里/小时中有B的80公里/小时的真运动和A的120公里/小时的视运动。在列车B上观察列车A也以200公里/小时后退，这200公里/小时中有A的120公里/小时的真运动和B的80公里/小时的视运动。 一般而言，从作相对运动的双方观察对方的运动的两种情况中，综合起来看，相对运动和绝对运动各占一半。 站在伽利略大船上两岸在倒退，这一半是相对运动；站在地面上就会发现船在前进，这一半是绝对运动。 在列车A上观察列车B，有B的80公里/小时的绝对运动和A的120公里/小时的相对运动。在列车B上观察列车A，有A的120公里/小时的绝对运动和B的80公里/小时的相对运动。把两种情况综合起来： 相对运动是：A的120公里/小时+B的80公里/小时=200公里/小时 绝对运动是：B的80公里/小时+A的120公里/小时=200公里/小时 相对运动和绝对运动正好各占一半。 有相对运动原理，有不有绝对运动原理呢？当然有，其实，牛顿第二定律就是绝对运动原理。物体只要受力就一定会产生绝对运动。这不就是绝对运动原理吗？只不过这种绝对运动的速度在变化。 伽利略相对性原理的本质是：任何一个相对于伽利略系处于匀速直线运动的坐标系，在描述力学过程方面同伽利略系完全等效。这一相对性原理可以用牛顿第二定律加以证明。 在伽利略系和以速度V0对伽利略系作匀速直线运动的坐标系中，质量同为m的两个物体分别处于这两个系统之中，它们在时间t内速度的变化相同。设在伽利略系中物体的初速和末速分别为V1和V2，在以速度V0对伽利略系作匀速直线运动的坐标系中的初速和末速则分别为V0+V1和V0+V2，根据牛顿第二定律，前者受力为： F1=m（ V2- V1）/t 后者受力为： F2=m[（V0+V2）-（V0+V1）]/t= m（ V2- V1）/t= F1。 由于力不是与速度有关，只是与速度的变化有关。不管V0有多大，在计算速度变化时会自动消去。这就是伽利略相对性原理在描述力学方程时对所有惯性系完全等效的原因。 身处伽利略大船上，作任何力学试验，不能判断船是静止还是作匀速直线运动。因此我们无法找到绝对不动的坐标系。也就是说绝对不动的坐标系是不存在的。但这不影响我们抽象地认为绝对不动的坐标系是存在的。 第一，参照系的运动与空间有关。我们在火车上会发以现这样一种有趣的景象：顺着火车运动的方向，近处的物体相对于远处物体在倒退，远处的物体则相对于近处物体在前进。也就是说，近处的物体相对于远处物体有一个向后的位移，同样地，如果地球真的在运动，在地球轨道半径两端，就应该看到比较近的恒星相对于比较远的恒星有一个位移。这种现象在天文学上叫做视差位移，也就是地球轨道半径在该恒星处的张角。称为恒星的视差。恒星的视差很小，只有零点几个角秒。一直到十八世纪，终于测出了恒星的视差，证实了地球确实是在绕太阳转动着。这也就是人们测到了地球真的是在绕太阳转动。 因为人的眼睛所看到的物体的大小与物体和人的距离有关。同一个物体越远看起来就越小。如果物体在无穷远处，物体的大小就退缩成一点，物体运动的任一距离也退缩成一点，不难想象物体运动的速度永远为0，因此，无穷远的恒星坐标系就是一个绝对不动的坐标系。其实。天文上的实际恒星坐标系就是一个近似的绝对坐标系。我们完全可以把无穷远的天球抽象成是一个绝对不动的空间。 第二，参照系的运动还与时间有关。在时间t趋于0时，物体的位移也趋于0。所有系统的运动都趋于停止，所有的非惯性系全部趋于惯性系，所有的系统都趋于绝对静止的参考系。我们完全可以把时间t趋于0时的空间抽象成是一个绝对不动的空间。 狭义相对性原理是把力学定律在一切惯性参考系中具有相同的形式的伽利略相对性原理推广为物理定律在一切惯性参考系中具有相同的形式。 请注意，这里是一切惯性参考系！但磁场不是惯性参考系，因为由麦克斯韦方程组的第三方程可知，磁感应强度B的散度为0。由矢量分析可知：假使一个向量场没有散度，则此向量场是另一个向量场的旋度。据此，我们可以形象地认为磁是以太的涡旋。由此得出结论：因为涡旋不是惯性参考系，磁场也不是惯性参考系。由于电磁场和电磁波都包含有磁场部分从而它们都不是惯性参考系。于是我们就可以顺理成章地认为，电磁现象不满足相对性原理。 |