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“牛頓運動(dòng)定律”的危機

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來(lái)源:物理小識微信公眾號(ID:wulixiaoshi)

慣性系在哪里,或者什么樣的參考系是慣性系?深入地研究發(fā)現,這在理論上和實(shí)踐上都存在根本的困難。

首先,要問(wèn)什么是慣性系。慣性系就是慣性定律成立的參考系,那就是說(shuō),在這個(gè)參考系中一個(gè)不受外力作用的物體,總是處于靜止或勻速直線(xiàn)運動(dòng)狀態(tài)。那么,不受外力作用又是什么意思呢?這就是說(shuō),在慣性系中處于靜止或勻速直線(xiàn)運動(dòng)狀態(tài)的物體是不受外力作用的,這樣就又回到什么是慣性系的問(wèn)題。這是一個(gè)邏輯上死(不斷)循環(huán)的回答,它不助于解決什么樣的參考系是慣性系的問(wèn)題。

其次,在實(shí)踐中地球是一個(gè)相當好的近似的慣性系,我們在觀(guān)察實(shí)驗室中的許多力學(xué)現象時(shí),都可以把地球看作慣性系,但是地球無(wú)時(shí)無(wú)刻不在自轉,并且也在不斷地繞著(zhù)太陽(yáng)旋轉,有一些力學(xué)現象就顯示出地球的這種轉動(dòng)效應,例如慣性離心力、科里奧利力(這是一個(gè)假想的力)等。因此,地球并不是嚴格的慣性系。

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太陽(yáng)及其鄰近的恒星組成的參考系是比地球更好的慣性系。進(jìn)一步的研究表明,太陽(yáng)是銀河系中的一顆普通恒星,它同銀河系的其他恒星一起繞銀河中心旋轉,且做變速運動(dòng),因而“太陽(yáng)參考系”也不是嚴格的慣性系。根據這種經(jīng)驗,我們可以取更大的天體系統的平均靜止參考系以趨近嚴格的慣性系,看來(lái)我們可以不斷地趨近慣性系,但卻不能找到嚴格的慣性系。

這樣,我們得到了支配物體運動(dòng)的力學(xué)規律(牛頓運動(dòng)定律),但是卻無(wú)法確定牛頓定律成立的慣性系。此時(shí),牛頓的力學(xué)理論卻成了建立在沙灘上的建筑物。牛頓深知他的力學(xué)理論中的這一弱點(diǎn),他提出的解決辦法是引入絕對空間,他相信存在絕對空間(絕對空間,就其本性而言是與外界任何事物無(wú)關(guān)而永遠是相同的、不動(dòng)的),這樣就可以在絕對空間里區別物體是處于靜止、勻速運動(dòng)還是變速運動(dòng),從而也就能夠確定慣性系和非慣性系。為了說(shuō)明絕對空間和絕對運動(dòng)的存在,他提出一個(gè)著(zhù)名的“水桶實(shí)驗”,其大意如下。

一個(gè)盛有一半水的桶掛在擰得很緊的繩子上,松開(kāi)手后,桶和水的運動(dòng)經(jīng)歷以下三種情形:

  1. 開(kāi)始時(shí),桶在繩恢復原有狀態(tài)(形狀)的力的作用下快速旋轉,由于水和桶的粘滯力很小,水尚未旋轉起來(lái),水面是平的;

  2. 在粘滯力長(cháng)時(shí)間的作用下,水和桶一起旋轉起來(lái),水受到慣性離心力的作用向桶壁擠壓,水面呈“下凹形”;

  3. 讓桶突然靜止,水繼續旋轉,水面仍然呈“下凹形”。

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牛頓桶實(shí)驗

牛頓分析以上實(shí)驗結果認為,在1、3兩種情形,水對于桶都有相對運動(dòng),但前者水面是平的,而后者是下凹的;在2、3兩種情形,無(wú)論水對于桶是否有相對運動(dòng),水面都是下凹的。因此,水對于桶的相對運動(dòng)不是水面下凹的原因,水面下凹的真正原因是水在空間里做絕對轉動(dòng),受到了慣性離心力。這說(shuō)明存在著(zhù)可以觀(guān)察出物體做絕對運動(dòng)的絕對空間,加速度是絕對的。

牛頓的絕對空間和絕對運動(dòng)繼承了人們自古以來(lái)認為空間和時(shí)間物質(zhì)及其運動(dòng)相對獨立而無(wú)關(guān)的直覺(jué),被大多數人所接受,它還受到哲學(xué)家康德的支持,康德說(shuō)過(guò),“我們永遠不能表象出沒(méi)有空間,可是我們卻很能設想空間中沒(méi)有對象?!钡桥nD的絕對空間和絕對運動(dòng)卻受到他同時(shí)代人的批評,其中著(zhù)名的有萊布尼茲和貝克萊。萊布尼茲認為,那種與物質(zhì)客體相分離的任何空間概念都是哲學(xué)上沒(méi)有必要的;貝克萊則指出,空間是一種“永久的、自存的、無(wú)限的、不可分的、不可變的”東西,“是有害的、荒謬的”,然而他們都未能提出任何觀(guān)點(diǎn),并發(fā)展成一種新的動(dòng)力學(xué)理論來(lái)替代牛頓理論,不過(guò)他們這些看起來(lái)十分挑剔的批評對后人卻存在著(zhù)潛移默化的影響。

對牛頓絕對空間的第一個(gè)建設性批評來(lái)自“牛頓運動(dòng)定律”提出的兩百年后,奧地利的物理學(xué)家和哲學(xué)家馬赫在他1883年出版的《力學(xué)史評》一書(shū)中對牛頓的絕對空間和絕對運動(dòng)作了深刻的批評。

關(guān)于牛頓的“水桶實(shí)驗”,書(shū)中寫(xiě)道:“牛頓的旋轉水桶實(shí)驗只是告訴我們,水對于桶壁的相對旋轉不引起顯著(zhù)的離心力,而這離心力是由水對地球及其他天體質(zhì)量的相對轉動(dòng)所產(chǎn)生的。如果桶壁愈來(lái)愈厚,愈來(lái)愈重,直到厚達幾英里時(shí),那就沒(méi)有人能說(shuō)這實(shí)驗會(huì )得出什么樣的結果”?!叭绻阉肮潭?,讓眾星體旋轉,能夠再次證明離心力會(huì )不會(huì )存在嗎?”在馬赫看來(lái),牛頓水桶實(shí)驗中水面的下凹行為并不能區分究竟是水相對絕對空間的轉動(dòng),還是水相對于眾星體的轉動(dòng),因此,并不能由此得出存在絕對空間的結論;相反地,若把水面下凹行為看成是由于水相對于眾星體轉動(dòng),是水桶內壁以外的質(zhì)量的吸引和帶動(dòng)所造成的,就會(huì )更自然些。

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馬赫是依據他關(guān)于世界的一種非常獨到的哲學(xué)見(jiàn)解,對牛頓的絕對空間作出深刻批判的。他在書(shū)中寫(xiě)到:“我們不要忘記,世界上的一切事物都是相互聯(lián)系、相互依賴(lài)的”。要注意,馬赫強調的是相互聯(lián)系、相互依賴(lài)(相互影響),那種只有一方依賴(lài)于一方而不被另一方所依賴(lài),一方可影響另一方而不被另一方所影響的事物是不存在的,是虛構的,也是“同科學(xué)中的思維方式相矛盾的”(愛(ài)因斯坦語(yǔ))。在牛頓力學(xué)中絕對空間就是這樣虛構的,它會(huì )影響到物體的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。譬如,只有相對絕對空間來(lái)說(shuō),慣性定律才成立,但是物質(zhì)的運動(dòng)反過(guò)來(lái)卻不能對絕對空間產(chǎn)生絲毫影響。既然是一種不能被人們的經(jīng)驗所證實(shí)的虛構,它就應該從科學(xué)中剔除出去。概括起來(lái),馬赫的觀(guān)點(diǎn)是:

  1. 物體的運動(dòng)不是絕對空間中的絕對運動(dòng),而是相對于宇宙中其他物質(zhì)的相對運動(dòng),因而不僅速度是相對的,加速度也是相對的;

  2. 在非慣性系中物體的慣性不是“虛擬的”,而是一種引力的表現,是宇宙中其他物質(zhì)對該物體的總作用;

  3. 物體的慣性不是物體自身的屬性,而是宇宙中其他物質(zhì)作用的結果。

馬赫的精辟見(jiàn)解被愛(ài)因斯坦取名為“馬赫原理”,他的批判引起了人們對于運動(dòng)和慣性認識的重大變革。

牛頓的觀(guān)點(diǎn):存在著(zhù)絕對空間和絕對運動(dòng)。物體的慣性是其自身的屬性,如果撤掉一個(gè)物體周?chē)乃衅渌镔|(zhì),那么這個(gè)物體將由于其自身具有慣性而一直運動(dòng)下去。

馬赫的觀(guān)點(diǎn):根本不存在絕對空間和絕對運動(dòng),物體的運動(dòng)是相對于宇宙中天體的運動(dòng)。物體的慣性是宇宙中所有天體作用的結果,撤掉一個(gè)物體周?chē)乃衅渌镔|(zhì)(物體),則無(wú)法去判斷它做什么運動(dòng),因而它也就不再具有所謂的“慣性”。

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馬赫獨樹(shù)一幟的思想指出了牛頓力學(xué)理論根基上的紕漏,同時(shí)也提供了改造牛頓力學(xué)理論的契機,這就是放棄絕對空間和絕對運動(dòng),把物體的慣性與宇宙中所有其他物質(zhì)對它的作用聯(lián)系起來(lái)。

愛(ài)因斯坦建立狹義相對論后就認識到“狹義相對論不過(guò)是必然發(fā)展過(guò)程的第一步”,他不斷地思考著(zhù)狹義相對論的不足。

  • 一方面,狹義相對論指出,所有的慣性系都是等價(jià)的,速度是相對的,不存在絕對靜止的慣性系。因此,狹義相對論否定了一個(gè)優(yōu)越的參考系(絕對靜止的慣性系)。但是它卻肯定了一類(lèi)特別優(yōu)越的參考系,那就是慣性系,它比非慣性系更要優(yōu)越,其中的物理規律特別簡(jiǎn)潔。然而對于為什么慣性系在物理上比其他參考系更優(yōu)越,狹義相對論不能作出回答。

  • 另一方面,狹義相對論指出,物理作用傳播的極限速度是光速c,這樣狹義相對論就在整個(gè)物理學(xué)中排除了超距作用。引力是力學(xué)研究的重要課題,然而牛頓引力定律的表述是超距作用,這樣就造成了牛頓引力定律與狹義相對論的不相容。

因此,需要發(fā)展一種把引力問(wèn)題納入,且能回答是否存在特別優(yōu)越參考系的更為廣泛的相對論。馬赫的思想對于愛(ài)因斯坦無(wú)疑是一個(gè)重要的啟發(fā),愛(ài)因斯坦曾說(shuō)過(guò):“可以肯定地講,馬赫是廣義相對論的先驅?!?/span>

理論科普瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)結構基礎
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首次發(fā)布時(shí)間:2021-03-24
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