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绝对空间理论的发展

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惯性系在哪里,或者什么样的参考系是惯性系?深入地研究发现,这在理论上和实践上都存在根本的困难。首先,要问什么是惯性系,回答是惯性系就是惯性定律成立的参考系,那就是说,在这个参考系中一个不受外力作用的物体总是处于静止或匀速直线运动状态。那么不受外力作用又是什么意思呢?这就是说,在惯性系中处于静止或匀速直线运动状态的物体是不受外力作用的。这样就又回到什么是惯性系的问题。这是一具逻辑循环,无助于解决什么样的参考系是惯性系的问题。其次,在实践中地球是一个相当好的近似的惯性系,我们在观察实验室中的许多力学现象,都可以把地球看作惯性生活费,但是地球肖自转,并且绕着太阳在旋转,有一些力学现象显示出地球的这种转动效应,例如惯性离心力,科利奥莱力等,因此地球并不是严格的惯性系。太阳及其邻近的恒星组成的参考系是比地球更好的惯性系。进一步的研究表明太阳是银河系中的一颗普通恒星,它同其他银河系听恒星一起绕银心旋转,作变速运动,因而太阳参考系也不是严格的惯性系。根据这种经验,我们可以取更大的天体系统的平均静止参考系以趋近严格的惯性系。看来我们可以不断地趋近惯性系,但却不能找到严格的惯性系。 这样,我们有了支配物体运动的力学规律但是却无法确定牛顿定律成立的惯性系。牛顿的力学理论如同建立在沙滩上的建筑物。牛顿深知他的力学理论中的这一脆弱的根基。他提出的解决办法是引入绝对空间。他想信存在绝对空间,“绝对空间,就其本性而言,是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”,这样就可以在绝对空间里区别物体是处于静止、匀速运动还是变速运动,从而也就能够确定惯性系和非惯性系。为了说明绝对空间和绝对运动的存在,他提出一个著名的“水桶实验”,其大意如下。一个盛有一半水的桶挂在拧得很紧的绳子上,松开手后,桶和水的运动经历以下三种情形:开始,桶在绳恢复原有状态的作用下快速旋转,由于水和桶的粘滞力很小,水尚未旋转起来,水面是平的;在粘滞力长时间的作用下,水和桶一起旋转,水受到惯性离心力的作用向桶壁挤压,水面呈下凹形;让桶突然静止,水仍在旋转,水面仍然是下凹。牛顿分析以上实验结果认为,在两种情形,水对于桶都有相对运动,但前者水面是平的,而后者是下凹的,在两种情形,无论水对于桶是否有相对运动,水面都是下凹的,因此,水对于桶的相对运动不是水面下凹的原因,水面下凹的真正原因在于水在空间里作绝对转动,受到惯性离心力造成的。这说明存在着可以观察出物体作绝对运动的绝对空间,加速度是绝对的。 牛顿的绝对空间和绝对运动继承了人们自古以来认为空间和时间物质及其运动相对独立而无论的直觉,被大多数人所接受,它还受到哲学家康德的支持,康德说过;“我们永远不能表象出没有空间,可是我们却很能设想空间中没有对象。”但是牛顿的绝对空间和绝对运动受到他同时代人的批评,其中著名的有莱布尼兹和贝克莱,莱布尼兹认为那种与物质客体相分离的任何空间概念都是哲学上没有必要的,贝克莱则指出,认为空间是“一种永久的、自存的、无限的、不可分的、不可变的东西”“是有害的、荒谬的”,然而他们都未能提出任何观念,发展一种新的动力学理论来替代牛顿理论,不过他们的看起来十分挑剔的批评对后有着潜在的影响。 对牛顿绝对空间的第一个建设性批评来自两百年后奥地利的物理学家和哲学家马赫。马赫在他1883年出版的《力学史评》一书中对牛顿的绝对空间和绝对运动作了深刻的批评。 关于牛顿的“水桶实验”,书中写道:“牛顿的旋转水桶实验只是告诉我们,水对于桶壁的相对旋转不引起显著的离心力,而这离心力是由水对地球及其他天体质量的相对转动所产生的。如果桶壁愈来愈厚,愈来愈重,直到厚达几英里时,那就没有人能说这实验会得出什么样的结果。”“如果把水桶固定,让众恒星旋转,能够再次证明离心力会不会存在吗?”在马赫看来,牛顿水桶实验中凹行为并不能区分究竟是水相对绝对空间的转动,还是水相对于众星体的转动,因此,并不能由此得出存在绝对空间的结论,相反地,把水面下凹行为看成是由于水相对于从星体转动,水桶内壁以外的所质量的吸引和带动所造成的,要更自然些。 马赫是出于他关于我们的世界的一种非常儿到的哲学见解,对牛顿的绝对空间作出深刻批判的。他在书中写到;“我们不要忘记,世界上的一切事物都是相互联系、相互依赖的。”要注意,马赫强调的是相互联系、相互依赖、相互影响,那种只有一方依赖于一方而不被另一方所依赖,一方可影响另一方而不被另一方所影响的事物是不存在的,是虚构的,也是“同科学中的思维方式相矛盾的”。在牛顿力学中绝对空间就是这样的虚构,它会影响到物体的动力学性质,譬如,只有相对经来说,惯性定律才成立,但是物质的运动反过来却不能对绝对空间产生丝毫影响。既然是一种不能被人们的经验所证实的虚构,它就应该从科学中剔除出去。概括起来,马赫的观点是,物体的运动不是绝对空间中的绝对运动,而是相对于宇宙中其他物质的相对运动,因而不仅速度是相对的,加速度也是相对的;在非惯性系中物体所受的惯性力不是“虚拟的”,而是一种引力的表现,是宇宙中其他物质对该物体的总作用;物体的惯性不是物体自身的属性,而是宇宙中其他物质作用的结果。马赫的精辟见解被爱因斯坦取名为马赫原理。 马赫的批判带来了人们对于运动和惯性认识的重大变革。牛顿认为存在着绝对空间和绝对运动;物体的惯性是它自身的属性,如果撤掉了一个物体周围的所有其他物质,那么这个物体将由于它自身的惯性作惯性运动。而马赫则认为,根本不存在绝对空间和绝对运动,物体的运动是相对于宇宙中天体的运动;物体的惯性是宇宙中所有天体作用的结果,撤掉一个物体周围的所有其他物质,则无法去判断它作什么运动,因而它也就不再具有惯性。 马赫独树一帜的思想深刻地提示了牛顿力学理论根基上的纰漏,同时也指出了改造牛顿力学理论的契机,这就是放弃绝对空间和绝对运动,把物体的惯性与宇宙中所有其他物质对它的作用联系起来。 爱因斯坦建立狭义相对论后就认识到“狭义相对论不过是必然发展过程的第一步”,他时而思考狭义相对论的不足。一方面,狭义相对论指出,所有的惯性系都是等价的,速度是相对的,不存在绝对静止的惯性系,因此狭义相对论否定了一个优越的参考系;但是它却肯定了一类特别优越的参考系,那就是惯性生活费,它比非惯性系更要优越,其中的物理规律特别简捷。然而对于为什么惯性系在物理上比其他参考系更优越,狭义相对论不能作出回答。另一方面,狭认相对论指出,物理作用传播的极限速度是光速c,这样狭义相对论就在整个物理学中排除了超距作用。引力是力学研究的重要课题。然而牛顿引力定律的表述是超距作用的,牛顿引力定律与狭义相对论不相容。因此需要发展一种把引力问题纳入,且能回答是否存在特别优越参考系的更为广泛的相对论。马赫的思想对于爱因斯坦无疑是一个重要的启发。爱因斯坦曾说过:“可以十分正确地认为马赫是广义相对论的先驱。”

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