21世纪的牛顿力学 作者:程稳平程实平-第20节
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
保嗣侵荒茉诜浅６痰乃布淇吹礁梦锾宥阉韧谥皇且桓龅愕挠诚蟆＠嗨频模比嗣强焖偻瓿赡掣龆魇保旁谝慌缘募鞘敝酉喽跃拖缘米叩帽冉下Ｈ绻锾宓脑硕俣确浅Ｖ齑锏揭怨馑偾敖保诰欢ǖ挠邢蘧嗬牍讨校旁谝慌缘募鞘敝由系氖笨讨刚刖涂梢匀衔恢笔峭Ａ粼谠吹奈恢蒙希奔渚拖喽缘慕婆蛘偷搅宋尴薮蟆Ｈ欢庑ê虾跚槔怼ǖ南胂螅⒉荒艹晌馐驮硕锾宓某ざ然岱⑸醵蹋胫嗔档氖奔浣⑸蛘偷睦砺鄹荨�
正是由于爱因斯坦没有能够给相对论做出真正可靠的物理解释，著名哲学家哥德尔（ ） 在20世纪40年代，根据爱因斯坦建立的广义相对论推理出可以回到过去的〃新生儿自谋杀悖论〃，已经使爱因斯坦自己都感到难以面对它。爱因斯坦在1949年1月所写的〃对批评的回答〃一文中承认：
〃库尔特·哥德尔的论文，照我的见解，对广义相对论，特别是对时间概念的分析，是一个重要的贡献。这里涉及的问题还在建立广义相对论的时候已经搅得我心烦意乱，我一直没能把它澄清。〃
1949年3月28日，爱因斯坦在写给M。索络文的信〃七十岁生日时的心情〃中再次诉说道：
〃你一定想象我在此时此刻一定以满意的心情来回顾我一生的成就。但是，仔细分析一下，却完全不是这么一回事。我感到在我的工作中没有任何一个概念会很牢靠地站得住的，我也不能肯定我所走的道路一定是正确的。〃… …
据史料介绍，狭义相对论在刚提出来之时，世界上只有12个人理解它。就是对相对论很有研究的彭加勒，也被爱因斯坦认为是至死都没有搞懂狭义相对论的物理含义。其实，包括爱因斯坦自己在内，在20世纪中并没有任何人真正理解相对论。只有在明确清楚同时性的物理意义，把搞乱的时间概念纠正之后，人们才能够对相对论作出正确的理解认识。
四、走出广义相对论的误区
首先，人们需要知道爱因斯坦建立广义相对论的目的是什么。爱因斯坦在与英费尔德合著的《物理学的进化》（上海科技出版社出版，统一书号：13119·450）一书第154页～155页中写有这样一段对话：
〃惯性系是什么？〃
〃它是力学定律在其中行之有效的一个坐标系。在这样的一个坐标系中，一个没有受到外力作用的物体总是作匀速直线运动。这种性质使我们能够把惯性坐标系和其它任何坐标系区别开来。〃
〃但是所谓没有力作用于物体上，究竟是什么意思呢？〃
〃这只是说物体在惯性坐标系中作匀速直线运动。〃
于是我们又可以再问一次：〃惯性系是什么？〃但是由于很少有希望得到一个与上次不同的答案，我们不如把问题改变一下，或许可以得到一些具体的知识：
〃一个严密地与地球相结合的坐标系是一个惯性坐标系吗？〃
〃不是。因为由于地球的转动，力学定律在地球上不是严格地有效。在许多问题上，我们可以把严密地结合于太阳的坐标系看作是一个惯性系；但是我们有时也说到太阳的转动。可见严密地结合于太阳的坐标系，严格地说也不是一个惯性坐标系。〃
〃那么。具体地说，什么才是你的惯性坐标系呢？而且怎样选择它的运动状态呢？〃
〃这只是一个有用的虚构，我也想不到怎样去实现它。只要我能够远离一切物体，而且使我不受任何外力的影响，我的坐标系就会是惯性的。〃
〃但是你所谓免除所有的外界影响的坐标系又是什么意思呢？〃
〃我的意思是说那个坐标系是惯性的。〃于是我们有回到那原来的问题上来了。
在这里，爱因斯坦向大家展示了经典牛顿力学在原理上出现的分析困难。即牛顿力学所使用惯性坐标系与根据它判断某个物体是否处于匀速直线运动的惯性状态，在原理上是以循环逻辑的方式来进行论证。这显然不能令人满意。事实上，人们在自然界中使用的惯性坐标系并没有真的必须与理想的绝对匀速直线运动相联系，经典牛顿力学在原理上要求惯性坐标系与理想的绝对匀速直线运动相联系乃是一个严重错误。与此同时，由于受到历史的局限性，牛顿在建立万有引力定律时没有说明物体间怎样跨越空间进行相互作用，因而在经典牛顿力学之中出现了难以被人们理解的〃超距作用〃。的确，在物质作用的基本思想下，跨越空间进行瞬间传递的相互作用不能被人们所接受。在人们还没有认识现代量子物理学的牛顿时代，人们无法解释物体间怎样跨越空间去进行相互作用，同时也不可能对引力场的传播响应速度进行测量而误以为物体间进行的万有引力作用不需要响应传递时间。牛顿力学之所以被人们接受，是在于它的预测与测试结果相符合，人们可以在特定的使用条件下接受它。人们并不会满足于有缺陷的理论，总要想方设法寻找到更加可靠的物理学理论。
为了建立能够适用于一切坐标系的物理学定律，爱因斯坦提出了广义相对论。在爱因斯坦建立的广义相对论之中，物体间具有的万有引力不被认为是作用力，物体在自身的运动状态被外力改变时所体现出来的惯性力等同于虚构的加速场，不论是均匀引力场还是非均匀引力场，位于任何引力场中的参照系都是惯性系。
按照爱因斯坦提出的惯性力等同于虚构加速场的〃等效原理〃，在作圆周运动的物体上可感受到的向外离开圆心的力，在匀速前进的车子突然刹车时车子里面的人将继续朝前冲的力，并不被认为是物体运动本身表现出来的惯性特征，而是把它们解释为在空间存在着相应的虚构引力场所导致的结果。如果允许按照这样的思想来进行理解，亚里士多得在2000年前提出的古典力学定律〃凡是运动着的物体必须受到力的推动〃，也就可以通过虚构引力场的方式来作出〃符合现代物理学理念〃的解释了。
伽利略根据运动不灭的哲学思想推导出地球水平面上的惯性定律后，牛顿在伽利略的基础上把惯性定律推广到了太空范围之中去应用。爱因斯坦发现牛顿力学可以在背景为均匀引力场的局部空间中同样成立，但他在把物体间具有的万有引力改述成物体所处空间具有某种可以对物体的运动状态产生作用的弯曲时空特性后，无论是爱因斯坦本人还是其他研究者，都始终说不出空间为什么能对物体的运动状态产生作用的机理。
位于均匀引力场中的参照系是惯性系，这在系统运动力学中已经给出了如何确定它的具体方法和应用要点。而位于非均匀引力场中的参照系是惯性系，要求被考察的物体体积必须足够小。它其实就是引入微分空间概念后；对处于微分空间中的高阶无穷小质点所作的运动力学分析。广义相对论想要解决的问题都已经被系统运动力学解决。在系统运动力学中，所有的力都是实在的力，并没有把万有引力从5大基本力中单独分出来解释成时空对物体产生的作用。从结果上来看，广义相对论似乎与系统运动力学同工异曲。其实不然，系统运动力学是按照经典的物理概念以更加全面的思路进行分析，人们可以根据它进行可靠的运用。而广义相对论为了达到也能解释相对运动现象的目的，不惜把物理学的基本概念搞混乱。
考察地球表面上的静止物体A，在牛顿理论中，A受到了地球引力和地表对它的弹力，A相对于地球静止。而在广义相对论中，引力不是真实的作用力，于是A只受到地表对它的弹力。A在这个弹力的不断作用下，相对于自由落体参照系一直在进行加速运动。那个与A相对静止的地球表面参照系就是一个相对于自由落体参照系加速的参照系，其内部具有一个相对于自由落体参照系的惯性力。这个惯性力在地球表面加速参照系内，无论从作用力大小和方向来看，都和牛顿重力的大小和方向完全一样，这个惯性力被称为广义相对论重力。于是得出推论，引力和惯性力在本质上是同一种力，两者的差别只是名词不同。引力在广义相对论中是虚构的力，既然引力和惯性力都是不存在施力者的力，似乎也可以把惯性力看成引力。地球的存在只决定在其周围空间内自由落体是什么样的形式，它没有对周围物体施加任何作用力。至于地球如何决定周围空间自由落体的形式，广义相对论并没有作出回答，人们只能借助等效原理的启发，把相对于地球静止的参照系看成是一个加速参照系。然而，如果没有真实的万有引力，假定各个物体都是用胶水粘起来的，地表面的物体还能对地面产生压力吗？地面又怎会以弹力形式去支撑它们呢？说静止在地球表面上的物体A在地面的弹力作用下相对于自由落体参照系一直在进行加速运动，由于A对地球的作用力方向与地球对A的作用力方向相反，也就不能是A对地球的作用力使地球相对于自由落体参照系进行加速，地球相对于自由落体参照系进行的加速运动只能是自身惯性力所导致。由于A又是地球的构成部分，于是A相对于自由落体参照系在加速乃是自身惯性力所导致。既然是自身惯性力导致静止在地球表面上的物体相对于自由落体参照系在加速，静止在地球表面上的物体对地面也就没有可以测量到的压力，同时也没有受到地面对它的弹力作用，这显然与事实不符合。
鉴于每一个物体都在对外界产生万有引力场，真实的万有引力乃是对产生该万有引力的物体之外的其它物体都有作用，而与惯性力等效出来的虚构加速场只对运动状态发生改变的物体有作用。仅凭这一特点，人们就能够判断出那一个是真实的万有引力。除非物质世界只存在万有引力一种基本力，人们才无法分辨真实的万有引力场与虚构的加速场。
说自由下落的升降机是一个在时间上和空间上都有限的惯性参照系，这只针对处于升降机中的物体而言。如果升降机中的物体很大，其质量与升降机相比不可以忽略时，建立在升降机上的参照系并不是有效的惯性参照系。人们用拉簧把两只大小相差不大的铁球连接起来，先用一根线将它们竖直吊起来固定在很高的塔上，把下面一只球往下拉开一段距离后放手，下面的球就开始进行上下振动。此时用火将线烧断，两只铁球与连在中间的拉簧将一起下落。两只铁球与连在中间的拉簧都没有在做纯粹的自由下落运动，只有它们三者共同构成的系统质心所留下的运动轨迹，才是在做纯粹的自由下落运动。而两只铁球与连在中间的拉簧之间进行的相互作用只是相对于它们三者共同构成的系统质心参照系观测出来的相对运动，才遵守牛顿定律所描述的运动规律。
在澄清这些要点后，再来考察静止在地球表面的物体A 与地球表面附近空间自由下落的物体B构成的物体系统时，人们会发现系统外的物体地球对系统内的物体所产生的作用不仅有一个表现为均匀引力场，还有一个是对静止在地球表面的物体产生的弹力。这表明由静止在地球表面的物体与地球表面附近空间自由下落的物体构成的物体系统不是完整物体系统。即便假设A物体比B物体的质量要小得很多很多，从而使A物体与B物体共同构成的系统质心参照系等同于建立在B物体上的自由下落参照系，它对于A物体来说也不是有效的惯性参照系。必须将地球也纳入进来，由地球、静止在地球表面的物体与地球表面附近空间自由下落的物体共同构成被考察物体系统，系统外的物体对该物体系统中诸物体的作用才完全表现为均匀引力场，建立在该物体系统质心上的参照系才对它们三者是有效的惯性参照系。
人们只要分辨清楚系统内物体的相互作用与系统外物体对该系统内物体的作用表现，经典牛顿力学并不存在爱因斯坦所误解的问题。当人们考察的对象是由地球与地球表面的某个指定物体所够成的物体系统时，地球与指定的物体构成系统内物体，而其它的物体别管它离系统内物体有多远，它们都是系统之外的物体。只要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，或是系统外的物体对系统内物体的作用与系统内物体之间进行的相互作用比较，其大小可以忽略不计时，系统外的物体就不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任何影响。在此状况下，建立在被考察物体系统质心上的参照系对被考察物体来说是有效的惯性参照系，人们进行的分析都对应的是被考察物质之间真实发生的相互作用。
在原理上，最根本的惯性系是与绝对空间相�
