21世纪的牛顿力学 作者:程稳平程实平-第1节

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作者：程稳平　程实平


目　录

作者简介
前页：参照系的故事　
第一章　准确理解基础物理学
一、历史的回顾　
二、对迈克尔逊干涉实验的重新分析　
三、怎样解释光的多普勒效应　
四、正确理解质能关系　
五、从空时描述看牛顿定律的实质　
六、正确理解相对性原理　
七、发现测不了原理　
八、对惯性参照系的重新认识　
九、正确理解时间概念　
十、有待完善的牛顿力学　
第二章　解开相对论之迷
一、什么是同时性　
二、洛仑兹变换与仿洛仑兹变换的数学推导　
三、相对论的建立思路　
四、时空变换导致的〃物理效应〃　
五、相对论运用要点　
六、时空变换导致的非线性速度叠加公式　
七、光速不变假设与相对论无关　
八、相对论在光学干涉实验中的应用　
九、对双生子问题的澄清　
十、运动叠加原理让相对论止步　
第三章　21世纪里的牛顿力学
一、绪言　
二、封闭系统中的运动定律　
三、完整物体系统中的运动定律　
四、不完整物体系统中的运动定律　
五、真实力与示值力之间存在的关系　
六、推广意义下的系统运动力学定律　
七、一般形式下的牛顿第二定理
八、系统运动力学公式的使用条件　
九、实际应用中的注意点　
第四章　清除相对论的误导宣传
一、大学物理教材开出超级玩笑　
二、似是而非的推导方式　
三、把人引入歧途的测量解释　
四、走出广义相对论的误区　
五、准确理解惯性参照系　
第五章　辨伪经典
一、真理的定义　
二、科学的定义　
三、请勿在磁能上动花脑筋　
四、辨谁是真正的唯心主义者　
五、且看何博传如何表演的可怜斑鸠　

作者简介

程稳平
　
　　1962年4月30日生于贵州省贵定县，1983年7月毕业于上海机械学院精密仪器工程系光学仪器专业，同时被分配到贵阳新天精密光学仪器公司工作，曾先后主管过实验室中高级偏光显微镜，大中小型精密万能工具显微镜，光电显微镜，数字显示光栅线位移长度传感器等几十个产品的科研生产技术管理工作；并在广东省科学院编辑出版的《科技管理研究》、上海机械学院编辑出版的《仪器与仪表》、陕西省光学学会编辑出版的《应用光学》、陕西省电子学会编辑出版的《电子工程师》、贵阳新天精密光学仪器公司编辑出版的《光仪通讯》等杂志上发表数十篇专业论文；1996年调动到珠海市，从事高保真音响系统等家用电器产品的研究开发工作。同时，本人还对自然哲学、物理学、心理学、电子应用技术等多学科进行了深入的探索，　1999年10月，正式出版由保健篇与力学篇内容构成的《在实践中探索》一书（标准书号为ISBN7…80607…591…7/N·2　）。本书是作者与程实平先生合作撰写的探讨基础物理学的论著。

程实平　

　　1963年8月19日生于贵州省贵定县，1984年7月毕业于华中工学院光学工程系，同时被分配到贵阳新天精密光学仪器公司从事光学器件的生产工艺研究工作，1987年考入上海机械学院仪器仪表分院攻读薄膜光学专业硕士研究生，1990年考入中国上海技术物理研究所继续攻读薄膜光学与光电技术博士研究生，1993年4月获得博士学位。之后，做为中方人员在上海技术物理研究所与外资合办的上海尼赛拉公司从事产品开发的技术指导与高层管理工作，先后在国内外相关学术杂志发表数十篇论文。本书是作者与程稳平先生一起经过10年时间的共同研究，合作撰写出来的第一本探讨基础物理学的论著。希望它能够对大家带来良好的受益。　

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前页：参照系的故事

　　在16世纪以前，人们以为地球是宇宙的中心，所有的星体都绕着地球转动。建立在地球上的参照系，自然地就是与宇宙中心保持静止的参照系了。自从奥纳多·达·芬奇在1508年宣布〃地球不在太阳圆周的中部，或者不在世界的中部〃后，哥白尼在1543年提出了〃日心学〃，人们开始不再坚持认为地球是宇宙的中心。　
　　然而这种认识上的进步并不是一帆风顺，伽利略在17世纪最先提出现代物理学的基础理论时由于继承了哥白尼的日心学说思想，遭到了教会的审判流放。继伽利略之后，牛顿在17世纪提出沿用到现代的经典力学理论，同样不能摆脱历史的限制。牛顿把建立在地球上的参照系当成是与绝对空间保持静止或处于匀速直线运动状态的理想惯性参照系，同时也把建立在太阳上的参照系当成是与绝对空间保持静止或处于匀速直线运动状态的理想惯性参照系，完全是在当时历史条件下作出的模棱两可的选择。
　　直到19世纪末，人们还认为一种称之为〃以太〃的粒子与绝对空间保持着绝对静止状态，光线就在这种〃以太〃海中以恒定不变的速度进行传播。1881年，麦克尔逊设计的〃麦克尔逊干涉实验〃否定了存在〃以太〃粒子的设想。没有办法寻找到与绝对空间保持静止的理想惯性参照系，也就不能判定谁是与绝对空间处于匀速直线运动状态的理想惯性参照系。虽然这并不等同于否定存在理想惯性参照系，但没有实验手段能够判定的理想惯性参照系，显然不是建立在实验基础上的物理学所必要的东西。
　　1905年，正当人们根据实际的应用状况，欲对可以正确应用牛顿力学的惯性参照系作出符合实际的鉴别之时，爱因斯坦提出了一个设想，认为在〃'静止'坐标系统中，光线无论从静止物体还是从运动物体上发射出来，都以确定的速度C运动。〃这本来是一个很平常的想法，爱因斯坦却根据没有把〃静止〃概念陈述清楚的〃光速不变〃假想和〃相对性原理〃，建立了一个完全不同于经典物理概念的〃狭义相对论〃。
　　此后，爱因斯坦又根据在均匀引力场空间中，物体之间进行的相互作用遵守牛顿定律的事实，提出了惯性力等效于虚构引力场的〃等效原理〃，进一步把原本只能在惯性参照系中应用的物理学定律推广到了任意给出的参照系之中。
　　从期望目标上来看，爱因斯坦建立的相对论确实很有意义。但由于爱因斯坦误把长度测量作为建立相对论的分析思路，爱因斯坦自己说不清楚相对论的物理意义，众多的物理学研究者也加入进理解相对论的行列中，几乎消耗去了近一个世纪的研究时间。其实，相对论并不深奥，当人们按照正确的分析思路去理解它时，相对论所使用的时空变换数学公式，其推导过程都十分简单。相对论给出的其它数学方程也都非常美妙诱人！然而，由于它在坐标系之间进行的坐标变换与自然界中的运动叠加原理发生了分裂，这使得根据它给出的所有预言都成了一场空欢喜。
　　事实上，人们只要区分清楚被考察物体之间和之外的相互作用，当被考察物体系统外的物体对系统内物体的作用表现为均匀引力场时，系统外的物体就不会对被考察物体系统中物体间的相对运动所遵守的力学定律有影响。此时，建立在被考察物体系统质心上的参照系对被考察物体系统内的物体来说是有效的惯性参照系。牛顿力学从一开始就建立在这种局部惯性参照系之上。人们只能在实际使用的针对于具体物体有效的惯性系中，认为其中某一个可能属于从与绝对空间想联系的参照系传递出来的第一级惯性参照系。人们无法检验出与绝对空间相联系的惯性参照系在何处，但可以间接的检验它并不是没有依据的虚构概念。
程稳平
2002年6月



第一章　准确理解基础物理学

一、历史的回顾　
　　2001年是人类社会告别20世纪，进入新千年的第1年。纵观已经过去的科学发展历史，人类对自然世界的理解经历了极其曲折的认识道路。在公元前500年之前，人们对自然世界的认识已经历了很长久的岁月时间，但仅仅是获得非常少的零碎经验。直到公元前500年间，人们才正式建立起系统的理论体系。亚里士多得在公元前300年之前建立的物理学，曾经被人们延用到公元后的17世纪。在整整2000多年的人类社会发展过程中，经院学者都认为自己掌握的系统理论是正确的科学知识。
　　一直到17世纪，伽利略对亚里士多得总结出的〃物体越重，下落越快〃的古典物理学定律提出质疑，并用实验证明不同重量的物体在下落时都是同样快的结果后，亚里士多得所建立的古典物理学才从根本上受到了冲击动摇。伽利略从1589年开始研究落体运动，到1638年发表他的力学著作《关于有关力学和位置运动的两种科学的数学证明和谈话》，经历了49年时间。此后，牛顿在伽利略的研究基础上，继续发展完成了运动力学的系统理论。1687年，在哈利的赞助下，牛顿出版了不朽的著作《自然哲学的数学原理》一书。从1589年到1687年，关于物体的运动力学的创建时期整整持续了1个世纪的时间。
　　伽利略是首先提出〃惯性原理〃和研究力学定律的人，后人却没有用伽利略的名字来命名惯性定律，原因就在于，虽然伽利略根据运动不灭思想，结合在水平面上所做的小车滑动〃理想实验〃，已经得出〃不受外力作用的物体将永远保持着原来的静止或匀速运动状态〃的结论，可是伽利略对什么是不受外力作用的判断认识还只是停留在受到地球重力场作用的地球水平面之上。是牛顿把〃惯性原理〃的应用条件进行了无限的推广。这样，当人们在研究行星的运动时就会想到：行星在没有受到外力作用的情况下，应该是在空间保持作匀速直线运动。行星之所以会环绕着恒星转动，一定是有一个与行星运动前进方向不重合的作用力使行星从其他直线路线偏转到了环绕着恒星转动的曲线路径上来。
　　牛顿根据这个分析思路，进一步发现了万有引力定律。而先于牛顿之前研究天体现象的开普勒，虽然在1630年之前就已经总结出了著名的〃开普勒三大定律〃，但是他对于行星之所以会环绕着恒星转动的分析，还是认为应该有一个力沿着行星轨道作用于行星之上，不断地驱使行星沿其轨道穿过太空。开普勒对行星环绕着恒星转动受到的作用力的思考，乃是根据亚里士多得建立的古典物理学中提出的〃凡是运动着的物体都要受到某个作用力的推动〃得出来的猜想。〃凡是运动着的物体都要受到某个作用力的推动〃与〃运动不灭〃　是完全相反的世界观。
　　人们根据亚里士多得建立的古典物理学定律，在继亚里士多得之后的2000多年时间中，仅仅是对自然现象做出了某种看起来似乎也有点道理的解释。正是在牛顿总结完成物体〃运动力学〃的系统理论之后，特别是在牛顿与其他数学家一起研究出微积分数学工具之后，才为现代物理学的全面发展打下了坚实的基础。为了纪念牛顿对现代物理学做出的巨大贡献，人们将牛顿建立起来的运动力学称为牛顿力学。
　　与开普勒、伽利略等伟大的科学家一样，牛顿在进行自己的科学研究探索过程中也不可避免地会出现失误。当牛顿把〃惯性原理〃的应用条件进行无限的推广之后，牛顿在原理上要求人们必须把用于观察物体相对运动的参照系建立在与绝对静止的空间保持作绝对匀速直线运动的物体之上。然而，牛顿在研究地面上的物体运动规律时是把最初始的惯性参照系建立在地面的某个静止点上，而在研究太阳系中的行星运动规律时又把最初始的惯性参照系建立在恒星太阳的中心上。可是太阳与地球之间并未保持着匀速的相对运动，这个事实表明：在空间以绝对的匀速状态进行运动并不是惯性参照系所必须满足的前提条件。牛顿力学实际存在着这么两个尚未解决的问题：　1、同一物体在一些参照系中观察到的相对运动与牛顿定律相符合而在另一些参照系中观察到的相对运动与牛顿定律不符合。2、相对于同一观察物体都是惯性参照系的任意两个参照系彼此保持作相对匀速运动，而相对于不同观察物体而言的两个惯性参照系可能相互不作匀速运动。如何解释这种〃怪现象〃？怎样给具体的观察物体选择可以适用牛顿定律的惯性参照系？牛顿没有在原理上做出令人信服的解答，而是让人们通过实验检验的方式来判断自己给具体的观察物体选择的参照系是否可以适用力学定律。
　　显然，如果人们为被考察物体给出的每一个参照系都必须先要通过实验检验来判断它是否可以适用力学定律，牛顿力学的实用价值就要大打折扣了。所幸的是，人们根据伽利略提出的相对性变换原理，通过实验检验的手段，只要找到了一个实际存在的可以应用力学定律对被观察物体的运动规律进