对狭义相对论发起新一轮全方位进攻(第3稿).doc

对狭义相对论发起新一轮全方位进攻（第3稿）目录第稿序 2第一章、松动一下对狭义相对论的迷信 21、不接受狭义相对论，是因为思想受到传统观念的束缚吗？ 22、不要轻信相对论教材上的一些实验结论 3第二章、“同时的相对性”经不起推敲 43、爱因斯坦对钟法含有不能被容忍的逻辑循环 44、一种比爱因斯坦更合理的中垂线对钟法，不含逻辑循环 55、掀翻爱因斯坦火车，摧毁爱因斯坦建立相对时空观的突破点 66、完全可以证明两个不同惯性系的“同时性是绝对的” 6第三章、不能迷信伽利略相对性原理 77、伽利略相对性原理没得到过严格的思辨或验证 78、坐标系相互之间如何运动，不会决定力学定律在其中是否有效 8第四章、因为牛顿找不到“绝对处所”，致使“绝对空间”被误解 89、推知“绝对运动”，是牛顿写作原理的目的 810、水桶实验仅证明了“绝对运动”的存在，而不是“绝对空间” 911、牛顿终身未能找到的“绝对处所”就是“引力场”，水桶实验证明了“水”是在相对于“引力场”作绝对运动，牛顿和马赫的观点并不对立 10第五章、重新审视惯性定律、惯性系、惯性力，给牛顿力学打补丁 1112、“惯性定律”应该打个补丁，将不再支撑伽利略相对性原理 1113、“惯性系”对于研究力学问题不是必须的，应该放弃 1214、“惯性力”不是虚假的力，它有反作用力 1315、给“绝对运动”和“绝对静止”定义也打个补丁，原理中唯一的一个假设也不再需要了，让牛顿宇宙体系更严密 1416、把被废弃的“相对性原理”改造为“绝对性原理” 1517、用大白话解析牛顿的“时间”和“空间” 16第六章、给“光以太”招魂 1618、否定“光以太”并不是唯一出路 1619、同“绝对处所”一样，“光以太”也是“引力场” 18第七章、“万有引力”被误解为“超距作用”，应该得到平反 2020、牛顿终身未能找到“引力以太”，致使万有引力被误解为“超距作用” 2021、传递“万有引力”的“引力以太”，怎么可能不是“引力场” 21第八章、总论 21参考文献 22第3稿序在断断续续花了几十年的时间，把狭义相对论的基本思想都彻底吃透了之后，笔者才刚刚觉悟：不能把眼光只盯着狭义相对论的错误。单纯“反相”，只能倒退回三百多年前的牛顿力学，让人难以接受，再者，牛顿力学如果没有瑕疵，狭义相对论也建立不起来，因此，在进攻狭义相对论的同时，必须给牛顿力学打上补丁，让牛顿力学更完善，才能更有力地“反相”。笔者把注意力集中到了牛顿的“水桶实验”上，因为，“惯性力的起源问题还没有搞清楚，牛顿水桶实验所揭示的疑难至今仍然存在。” 1 这种最基本的悬疑问题，应该是个突破口。本稿与前两稿相比，除了修正一些错误，更有质的变化：请关注第6节【完全可以证明两个不同惯性系的“同时性是绝对的”】，这是从笔者10年前的论文中摘录的，可以对“同时性”作一个不容置疑的判决。也请关注整个第四章【因为牛顿找不到“绝对处所”，致使“绝对空间”被误解】，这是笔者近两个月研读牛顿原理的新领悟，对于解决牛顿水桶实验的悬疑，肯定是“柳暗花明又一村”。在第五章中，笔者给牛顿力学打了两个补丁，提出了一些新观点,让牛顿力学成了一个更完善的理论。笔者学识浅薄，不妥或错误在所难免，欢迎批评指正。 上海金标软件有限公司 费邦镜 2014/8/26=狭义相对论是最让人感到奇异的理论，“与物理学中的其他理论不同，相对论既不是直接从实验引出来的，也不是为消除分歧的观点而寻找到的。相对论完全是在对已被普遍接受的物理概念进行慎密审查的基础上提出来的。” 2然而，狭义相对论本身却经不起更慎密的审查，它肯定就是一个彻底错误的时空理论。笔者曾屡次挑战，均无功而返。这并不让人沮丧，毕竟是在撬动现代物理学大厦的基石，哪有一蹴而就的？但胜机已初现，战胜它只是迟早的事。现调整战略战术，重振旗鼓，对狭义相对论发起新一轮全方位进攻。第一章 松动一下对狭义相对论的迷信1、 不接受狭义相对论，是因为思想受到传统观念的束缚吗？狭义相对论是一门难学、难懂的理论，这已是公认的事实。一般都分析说这是“由于人们的思想长期受到传统观念的束缚，一时难以接受崭新的时空观”所致。3 然而，事实并非如此。例如，创建了“电子论”和“洛伦兹变换”的荷兰物理学家洛伦兹，“同相对论朝夕相处20年，但始终未能真正理解相对论，他直到去世，都不肯抛弃静止以太与绝对同时性的传统观念。”又如，早于爱因斯坦提出光速不变公设，并在“1904年就十分清楚地把相对性原理从力学现象扩大到各种物理现象”的法国物理学家彭加勒，“他也曾走到了相对论的门口”，“但他坚持以太论”，“致死都未发表过赞同相对论的言论”。再如，敢于挑战牛顿，并被爱因斯坦尊称为相对论先驱者的奥地利物理学家马赫，“断然否认自己的思想与相对论一致，明确反对爱因斯坦的相对论”。显然，上述这三位都是最不受传统概念束缚、最富有创新精神的优秀科学家，如果说他们一时受到传统概念的束缚，无法创建狭义相对论，倒也说得过去，但是，在狭义相对论被创建起来之后，他们依然长期学不懂、不接受，就显然不是受到传统概念束缚的原因。长期不接受狭义相对论的并非仅此三位，该理论自1905年创立后相当一段时间，一直受到世界主流物理学界的冷遇、怀疑甚至反对，“只是到了1919年，爱因斯坦的广义相对论得到了日全食观测的证实，他成为公众瞩目的人物，狭义相对论才开始受到应有的重视。”但这也仅仅是开始受到重视而已，1921年爱因斯坦获得了诺贝尔物理奖，但获奖的原因并不是基于相对论，可见当时的物理学界普遍不接受相对论。如此众多的物理学家长期不接受相对论，仅仅是因为一时难以接受崭新的时空观吗？如果说观念的改变不是一朝一夕之事，那么经过100多年的积淀，崭新的时空观早就不再崭新，狭义相对论早就应该易于被人接受了，然而很不幸，目前的局面正如赵峥先生说的那样：“老师和同学往往觉得理解上非常困难。对于同学提出的五花八门的问题，老师感到难以招架。许多中学老师干脆略去相对论部分大学老师无法略去不讲，于是下了很大工夫去钻研，但许多人仍感到底气不足”；互联网上更有专门挑战相对论的网站及论坛，质疑声不断，发起挑战的既有学生、教师、业余物理爱好者、专业物理工作者，也不乏资深的教授、博士、物理学家。这种局面就更不是“一时难以接受崭新的时空观”所能解释的。笔者信奉“大道至简”，如果狭义相对论本身不含缺陷，绝不会在创立了100多年之后依然如此让众人难以接受。2、 不要轻信相对论教材上的一些实验结论不少编写相对论教材的作者都是人云亦云、趋炎附势的。例如，几乎大多数教材都把宇宙线子寿命的测量实验，作为狭义相对论“时间膨胀”效应最直接的铁证，美国马萨诸塞州牛顿城教育发展中心还把该实验摄制成科教电影，言之凿凿地说这个实验清楚地表明飞行子的寿命因其高速飞行而延长了。4 然而事实并非如此：一般认为，来自外层空间的宇宙线轰击地球大气产生了大量的子，这些子具有很宽的能量范围，飞行速度有大有小，高能量的子速度非常接近光速c，可大于0.9954 c。子寿命很短暂，其平均寿命是恒定的。1963年，D.H.Frisch和J.H.Smith在新罕布什尔州的华盛顿山山顶（海拔1910米），用闪烁器检测铅直向下而速度在0.99500.9954c之间的子数目，结果检测到每小时平均有56310个，然后下到离海平面3米处，用闪烁器检测相同速度的子数目，结果检测到每小时平均有4089个。于是，迷信相对论的人认为，如果高速飞行子的寿命与静止时相同的话，飞行了1907米后，在海平面附近的子数目应不到35个，而当时实际测量却有408个，这正是狭义相对论的“钟慢”效应，导致了飞行子的寿命延长。笔者认为，这样的结论过于牵强附会。因为在山顶上检测到的，并不包括山顶上的全部子，而仅仅是穿过闪烁器的子中速度在0.99500.9954c之间的子。而海平面的408个子，则可能由四部分组成，第一部分是由山顶那些速度在0.99500.9954c之间的子衰变后存活下来的；第二部分是山顶的有些速度大于0.9954c的子，这些子尽管没能在山顶上被闪烁器检测到，但它们在向海平面运动的过程中，能量会被大气逐渐吸收，速度会慢下来，有一部分在到达海平面时速度会降到0.99500.9954c之间，就会被闪烁器检测到；第三部分是山顶闪烁器周边漏检的子，有些会进入到海平面闪烁器内；第四部分是宇宙线在山顶之下轰击大气而新产生的子。所以我们怎么可以用这408个子来推算那563个子的寿命呢？美国孟五政先生精辟指出：“在山顶与山脚测量宇宙线中的子寿命，其方法简陋而不精确该实验无法确定这些子何时所生，也无法防止子的逃逸和加入此观察通道。”又如，有的狭义相对论读物中说：“光速不变原理已为实验所证实”。而事实并非如此，张元仲先生在狭义相对论实验基础一书中总结：迄今为止，“各种检验光速不变性的实验都只证明了回路光速的不变性，并没有证明单向光速的不变性。因此，通常所说的光速不变原理已为实验所证实是不确切的。”5在相对论教材中，我们确实会碰到一些“大臣”，在那里赞赏“皇帝的新衣”。爱因斯坦告诫我们：“常识是十八岁以前敷设在思想上的一层偏见”，“为了科学，就必须反反复复批判基本概念”。 我们当然应该以爱因斯坦为榜样，对那些不证自明的基本概念作一番深入的思辨。第二章 “同时的相对性”经不起推敲3、 爱因斯坦对钟法含有不能被容忍的逻辑循环对狭义相对论最大的争议是关于光速不变原理，该原理具体包含三方面内容： 光速与光源的运动速度无关； 各种不同频率的光波的传播速度相同； 光速各向同性。6 为了检验其中的“光速各向同性”是否符合事实，必须直接测定各个方向上单向光速的具体数值。而为了测定单向光速，除了必须确定起点和终点的间隔距离之外，还必须把分别安置在起点和终点的异地时钟校准同步，以确定光走过这段距离的间隔时间。显然，选用无毛病的异地时钟对钟方法是准确测定单向光速的重要前提。异地时钟校准同步的方法有很多种，但爱因斯坦只给我们优选了两种。一种就是端点对钟法：“当某一时钟m指着时刻m时，从这只时钟发出光线，在真空中通过距离mn到时钟n；当光线遇着时钟n的时刻，使时钟n对准到时刻n =m +mn / c。”7 注意：这里时钟n的时刻n竟然是依赖单向光速c计算出来的，也就是说，为了进行对钟,必须先测定出单向光速，而测定单向光速又必须先进行对钟，这不是典型的逻辑循环吗？另一种就是中点对钟法：“我们必须在这两个钟的距离的中点处观察它们。如果信号是同时发出的，它们也同时到达中点处。”8 很显然，中点对钟法是以“光速各向同性”为前提的（爱因斯坦承认“光速各向同性”仅仅是个“约定”9），而为了验证这个前提，就必须先测定单向光速，而测定单向光速又必须先对钟，依然摆脱不了逻辑循环。赵峥先生就正确地断言：因此，“以相对论为核心的时空理论，从原则上否定了测量单程光速的可能性”，10 这就是说，爱因斯坦对钟法，让“光速各向同性”这个“约定”既无法“证实”，也无法“证伪”。“光速不变”假设，将因此永远只能是个“假设”，将因此永远无法提升为“原理”。科学哲学大师卡尔波普（Karl Popper）有句名言：不能“证伪”的理论就是伪科学！这无疑是非常正确的，比如，因为无法证明“没有鬼”，所以“有鬼”就不是科学，而只能是迷信。对于爱因斯坦对钟法，理应是放弃。但是，苦于找不到速度无限大的瞬时传播信号，于是大多数人无奈地容忍了爱因斯坦的这种有毛病的对钟法。那么，是否可以找到不含逻辑循环的对钟方法呢？ 4、 一种比爱因斯坦更合理的中垂线对钟法，不含逻辑循环请看笔者设计的中垂线对钟法：如图一，在一惯性系中，A、B为两只相距不太远的同样的好钟，M为线段AB的中点，KM是AB的中垂线，且K距离M足够足够远，我们在K处放置一个闪光信号发射器，那么光线KA和KB就可以近似认为是“平行”的、“同向”的，无论“光速各向同性”是否成立，几乎“同向”的光线KA和KB速度当然几乎是相等的，又线段KA=KB，则从K每次发出的闪光信号都一定会几乎“同时”到达钟A和钟B，依此，我们就可以把钟A和钟B校准“同步”。注意，“中垂线对钟法”并不意味着能把两个异地时钟校准到“绝对同步”，也并不意味着其在本质上等同于用速度无限大的瞬时传播信号对钟，而是可以“足够精确”地使两个异地钟同步。“足够精确”是什么意思呢？只要能满足人们在不同的实际测量中的精度需求，我们就可以认为这个测量是足够精确的。我们还知道，真正“绝对精确”的实际测量其实是不存在的。如果光速各向不同性，则爱因斯坦对钟法的误差是无法消除的，而中垂线对钟法虽也有误差，但却可以采用“把信号发射器挪得更远”或“缩小异地钟的间距”等方法，来不断提高对钟精度，直到满足实际需求。我们当然也可以用中垂线对钟法把钟B和此惯性系中的另一只钟C校准同步。且因为A、B同步，B、C同步，所以A、C亦同步！如法炮制，我们可以把此惯性系的每一空间点上的好钟全部校准同步，而无论这些钟相距如何遥远。中垂线对钟法较之爱因斯坦对钟法，可以省去一个前提，明显简洁，且避免了逻辑循环，根据公认的奥卡姆剃刀原则，中垂线对钟法当然更合理、更科学，理所当然地可以取代爱因斯坦对钟法。“中垂线对钟法”的重要意义更在于：单向光速从此将不再是不可测的，光速各向同性从此才有可能得到验证。5、 掀翻爱因斯坦火车，摧毁爱因斯坦建立相对时空观的突破点“同时的相对性正是爱因斯坦建立狭义相对论时空观的突破点。”11 也是大家接受狭义相对论的最大障碍。那么，如何才能把同时的绝对性从大家根深蒂固的潜意识中铲除呢？爱因斯坦很聪明地设计出一个绝妙的火车上的思想实验，12用以强力粉碎同时的绝对性。这就是著名的爱因斯坦火车，大家都非常熟悉。这个思想实验对于狭义相对论是有决定意义的，100多年来，它始终是破除绝对同时观的最强有力武器，凡是涉及狭义相对论的读物，几乎没有不采用的。但要真正读懂这一实验是非常伤脑筋的。在自叹不够聪明的同时，大多数人都是“似懂非懂”、“时懂时不懂”地接受了“同时性是相对的”这一结论。其实，我们可以按以下四个步骤，对其进行明快的判定：1）该思想实验相当于以“光速各向同性”为前提，定义两个不同惯性系的同时性，这比定义同一惯性系的同时性要复杂得多；2）按先简后繁的原则，不妨先搞明白，爱因斯坦是如何定义同一惯性系的同时性的呢？很显然，爱因斯坦对同一惯性系的同时性定义就相当于他的对钟法；3）根据上一节的论述，笔者已雄辩地否定了爱因斯坦对钟法，这就相当于否定了爱因斯坦以“光速各向同性”为前提，对同一惯性系的同时性进行定义；4）既然爱因斯坦以“光速各向同性”为前提，对同一惯性系的同时性进行定义都无法成立，那么，爱因斯坦以这相同的前提，对两个不同惯性系的同时性进行定义，其结论，怎么可能站得住脚呢？由上述四步，就可以轻松掀翻爱因斯坦火车。这就意味着爱因斯坦建立狭义相对论时空观的“突破点”被否定！当然，仅仅掀翻爱因斯坦火车还不足以彻底否定“同时的相对性”。那么，是否有办法直接证明两个不同惯性系的“同时性是绝对的”呢？ 唯有这样，才能真正彻底否定“同时的相对性”。6、 完全可以证明两个不同惯性系的“同时性是绝对的”如图五a，有一批结构相同的好钟，分放在路基和火车两个惯性系内，每个钟近旁都有一位观察者，火车以速度v相对路基向右匀速直线运动，事先我们已经用中垂线对钟法（也允许用爱因斯坦对钟法）把路基上的A、B等钟校准同步；用中垂线对钟法（也允许用爱因斯坦对钟法）把火车上的P、Q等钟校准同步。当钟P与钟A擦肩而过时，观察者A观察到钟A比钟P快了t秒，当然，观察者P观察到的场景同观察者A观察到的是同一个场景，也观察到钟A比钟P快了t秒。于是，根据事先的约定，观察者P立即把自己身旁的钟拨快t秒，紧接着P又通知（允许采用各种方法通知）火车上的所有观察者：把自己身旁的钟都拨快t秒。如此一来，路基和火车两个惯性系内所有的钟就全部都同步了！从此后，要比较两个异地事件（无论是否在同一惯性系）是否同时发生，只要记录下事件发生时近旁的钟的刻度，然后再进行比较就可以了，这也就意味着：同时性是绝对的！且慢，立即有人会指出其中的毛病：根据相对论，运动的钟是会变慢的，即使把钟P和钟A在相遇时校准到同步，那么，随着时间的流逝，两个惯性系内的钟仍然不会同步，比如，钟P和钟B相遇时就不可能同步。其实，这种情况是决不可能发生的。请看图五b，假定钟P和钟B相遇时，观察者P已完成了对鈡动作，现在我们采用反证法：假设运动的钟真的会变慢，无外乎会出现两种情况：【情况1，如果以路基为参考系，则钟P是运动的，观察者B（和P）将会观察到：钟P的指针转过的角度一定比钟B的要小；情况2，如果以火车为参考系，则钟B是运动的，观察者P（和B）将会观察到：钟P的指针转过的角度一定比钟B的要大。】请注意，这两种情况下，观察者P和B观察到的是同一个场景，其结果不可能互相矛盾，所以“运动的钟会变慢”这一假设是不可能成立的。证毕。13这种情况类似于“双生子佯谬”，但是，相对论对“双生子佯谬”尚可以用“其中一个惯性系经历了既加速又减速的过程，两个惯性系不平权”来进行狡辩，而在这里，路基和火车是两个完全平权的惯性系，所以，“运动的钟会变慢”只能是真谬，而不是佯谬！同时性只能是绝对的！笔者把这列能证明“同时的绝对性”的火车，命名为“牛顿火车”，以突显其与爱因斯坦火车的对立。显然，狭义相对论的“同时的相对性”观点是完全错误的。第三章 不能迷信伽利略相对性原理7、 伽利略相对性原理没得到过严格的思辨和验证请注意，本文思辨的是爱因斯坦所定义的伽利略相对性原理：“假使力学定律在一个坐标系中是有效的，那么在任何其他相对于这个坐标系作匀速直线运动的坐标系中也是有效的。假使有两个坐标系，相互作不等速运动，则力学定律不会在两者之中都是有效的。”14 其他人改述的伽利略相对性原理，有些与此并不等价，不能相提并论。其实，伽利略本人并未提出过这一原理，他只是在关于两个世界体系的对话中详细地描述了在匀速航行的大船中所观察到的力学现象，诸如水滴的下落、蝴蝶的飞行、扔物、跳远等等，都如同大船停航时一样，你无法从其中任何一个现象来判断大船是在运动还是不动。历史上，是惠更斯首先把这些力学现象所体现出来的思想称为伽利略相对性原理，并把它看成力学的基本规律。15 爱因斯坦则为了狭义相对论的需要，进一步将其推广为狭义相对性原理，适用于全部物理定律。哈佛教科书力学引论评价：“在古典力学的发展过程中，相对性原理所起的作用不大；爱因斯坦却把它誉之为动力学的根本原理。”16 那么，伽利略相对性原理成立的依据是什么？其物理本质又是什么？我们一点都不清楚！在每一本相关教材上所能查证的，也就仅仅是伽利略所描述的大船上的这些粗略的力学现象。虽然没有经过任何的论证，但我们每一个人都凭着曾经有过的“舟行不觉”的亲身感受，非常自然地认可了这一原理。然而，在科学史上，人们单凭直觉经验而走过的弯路，难道大家都忘了？例如，亚里士多德主张，物体的运动需要一个持续的推动力，这非常符合大家的生活经验，以致这个错误思想统治了力学两千年之久。再如，我们的祖先，坐地观天，地球当然是宇宙的中心，大家恭顺地接受了托勒密的“地心说”，让错误的托勒密体系统治了天文学一千三百多年。鉴于上述教训，无论伽利略相对性原理是不是类似情况，难道我们不应该对其进行一番严格的考证和思辨吗？8、 坐标系相互之间如何运动，不会决定力学定律在其中是否有效首先，力学定律在固定于地球的坐标系中是非常有效的，不然，伽利略、笛卡尔、牛顿等科学家，怎么可能在地球实验室中，归纳、总结出力学定律呢？其次，爱因斯坦承认：力学定律在关联于太阳的坐标系中，比在关联于地球的坐标系中更有效。17 再次，我们知道，符合力学定律的月球车在月球上工作非常正常，至今未发现月球上出现违背力学定律的怪事。值得一提的还有我们都很熟悉的自由落体升降机，爱因斯坦确认，力学定律在升降机上和在地面上一样有效。够了，只要看看地球、太阳、月球、自由落体升降机这四个坐标系，它们相互之间并非作匀速直线运动，但是力学定律在它们之中却都非常有效，这就有力地否定了爱因斯坦根据伽利略相对性原理作出的断言：“假使有两个坐标系，相互作不等速运动，则力学定律不会在两者之中都是有效的。”况且，力学定律竟然能在飞行姿态如此复杂多变、速度如此惊人的地球上被发现，难道有谁能指出“地球是在相对于哪个坐标系作匀速直线运动”吗？哪怕是误差大一点也行， ？很显然，根本不存在这样的坐标系。可见，坐标系本身如何运动，坐标系相互之间如何运动，都不是决定力学定律在其中是否有效的根本原因。请问，我们是否还应该继续迷信伽利略相对性原理呢？（稍后，笔者还将彻底否定该原理）第四章 因为牛顿找不到“绝对处所”，致使“绝对空间”被误解9、 推知“绝对运动”，是牛顿写作原理的目的很少有人提及，牛顿写作自然哲学之数学原理的目的是什么。牛顿在原理的“定义”篇“附注”中表达得非常明白：“真实与相对运动之所以不同，原因在于施于物体上使之产生运动的力。要认识特定物体的真实运动，并切实地把它与表象的运动区分开来，确实是一件极为困难的事，不过这件事也没有彻底绝望，我们还有若干见解作指导，其一来自表象运动，它与真实运动有所差异；其一来自力，它是真实运动的原因与后果。如何由其原因、效果及表象差异推知真正的运动，以及相反的推理，正是我要在随后的篇章中详细阐述的，这正是我写作本书的目的。” 18请大家看清楚，牛顿写作原理的目的就是推知“绝对运动”，在原理中，牛顿把“真正的运动”、“真实的运动”、“绝对运动”是相提并论的。而我们深受伽利略相对性原理的影响，对于“绝对运动”是彻底否定的。其实，我们大家（包括笔者本人）都还没有真正读懂牛顿的原理。下面，就让我们一起仔细研读原理的相关内容。10、牛顿的水桶实验仅证明了“绝对运动”的存在，而不是“绝对空间”为了能感知“绝对运动”，牛顿设计了一个著名的“水桶实验”：绳子上吊有一桶水，让桶做旋转运动。开始时水未被桶壁带动，桶转水不转，水面是一个平面。不久，水逐渐被桶壁带动而旋转，水沿桶壁上升，形成一个凹形，直到与桶以同样的角速度旋转，此时水沿桶壁上升到最高点。牛顿认为，“起初，水面保持平坦，因此水的真正旋转并未开始。但在那之后，水沿桶壁上升说明水的真实的转动正逐渐加快，直到它获得最大量，这时水相对于桶静止。” 19 请看仔细！在这里牛顿丝毫未提及“绝对空间”。很明显，通过水桶实验，牛顿只是论证了“绝对运动”的存在！然而，笔者手头所有论及水桶实验的书籍（除了郭奕玲、沈慧君两位先生的物理学史），统统都说“牛顿用水桶实验论证了绝对空间的存在”，为什么会有如此大的误解呢？估计同笔者先前一样，没有认真阅读牛顿的原著，犯了人云亦云的毛病，在那里“想当然”。对于“绝对运动”，牛顿有明确定义：“绝对运动是物体由一个绝对处所迁移到另一个绝对处所”。20 注意！与“绝对运动”相关的是“绝对处所”，而不是“绝对空间”。“处所”和“空间”是同一个概念吗？显然不是，牛顿对它们是分别定义的。 牛顿在原理中定义：“处所是空间的一部分，为物体占据着，”。21 牛顿接下来又对“处所”进行了一番补充解释。但不知是转展翻译（拉丁文古英文现代英文中文）的问题，还是本人的阅读水平问题，“处所”的概念在这里显得较难理解。再参阅相关著作，“处所”的概念才清晰起来。牛顿在他的论流体的重力和平衡一文手稿中写道：“首先定义地方为某种东西均匀填充的一部分空间，然后定义静止是保留在同一地方，定义运动为地方的变化。” 22（阎康年先生在这里把“处所”译为“地方”）显然，牛顿的本意当然是：“处所”并不是“空间”；“空间”的确是一无所有，而“处所”必须被某种东西填充，或者按原理中的说法，“处所”必须为某种物体占据着。而“静止”是保留在同一“处所”，“运动”则是“处所”的变化。牛顿的水桶实验，论证了“绝对运动”的存在，也就仅仅是证明了“水”相对于“绝对处所”中填充的东西在作真正的转动。哪里扯得上“绝对空间”呢？问题是，这个“绝对处所”中被填充的“某种东西”究竟是什么？牛顿终身没能找到，以致牛顿对水桶实验的看法遭到马赫等人的严重误解，误以为“找不到任何东西，就是没东西，没东西当然就是绝对空间”，进而误以为“牛顿认为水是在相对于空无一物的绝对空间转动”。真是不可思议的误解！既然牛顿已证明了“绝对处所”的存在，那么，在科技经过了300多年进步后的今天，我们比牛顿有更广阔的视野，我们应该能找到它。11、牛顿终身未能找到的“绝对处所”就是“引力场”，水桶实验证明了“水”是在相对于“引力场”作绝对运动，牛顿和马赫的观点并不对立复旦大学郑永令先生等合著的力学（第二版）第94页上有一道关于水桶实验的例题（哈佛教科书力学引论等许多力学教材中都有相同例题），笔者觉得，该例题的答案已经提示我们“绝对处所”是什么。请看该例题：“一水桶绕自身的竖直轴以角速度旋转，当水与桶一起转动时，求水面的形状。”解答步骤是，先以液面中心为原点建立z、r坐标，对横坐标为r的液面微团进行受力分析，推导得 z=rr / 2g ，此为抛物线方程，故液面为旋转抛物面。该等式显示，旋转的水面呈凹形的唯一外因是地球引力场强度g，这似乎可以理解为旋转的水面呈凹形是因为水相对于地球引力场以角速度旋转。（注：本文中所有的“引力场”均指牛顿“万有引力”所产生的“引力场”；也许，更贴切的名称应该是“质量场”。）如果把地球引力场看成是水桶实验的“绝对处所”，那是何等的简单、明快！这也不是没有理由：因为我们现在知道，引力场也是一种物质，当然可以被填充在绝对处所中，牛顿当年想用托里拆利的真空实验寻找这种物质，当然以失败告终。不妨就让我们沿着这一思路，看看能不能走得更远。牛顿对水桶实验的解释遭到马赫的否定，马赫的理由是：“物体的运动是指物体之间的关系而言，如果忽略其他物体A、B、C而企图谈论绝对空间中物体K的运动，则是错误的”，23 “根本不存在绝对空间；转动不是绝对的，而是相对的，产生惯性离心力是水相对于全宇宙物质（遥远星系）转动的结果。”24 这个思想“给了爱因斯坦以极大的启发，引导他创立了广义相对论”，被爱因斯坦尊称为马赫原理。那么我们要问，“水”对于“地球本征引力场这种物质”的转动，难道不正是相对的吗？“全宇宙物质”是通过什么作用于水的呢？难道不就是“引力场”吗？水桶周边的这个引力场难道不就是全宇宙物质所产生的引力“综合影响”的结果吗？牛顿只不过是一时找不到这个“绝对处所”中所填充的东西罢了。但是，正因为这个“找不到”，却让惠更斯、莱布尼兹、马赫等人产生了严重误解，误以为“牛顿认为水是在相对于空无一物的绝对空间转动”，我们大多数人则盲从马赫，迷信爱因斯坦，也随着他们一起误解牛顿。如果当年牛顿能指出水是在相对于引力场转动，那么，马赫还有什么理由反对牛顿呢？当然一条都没有！牛顿的认识与马赫原理并没有本质区别。一定立刻有人质疑：且慢！既然水桶周边的这个引力场是全宇宙物质所产生的引力综合影响的结果，那么为什么z=rr / 2g等式中仅含地球的引力场强度g，而不含太阳和其他远域物质的引力场强度呢？目光果然犀利，该问题确实非常深刻且重大，当初马赫也正是考虑到地球的质量与远域物质的质量相比绝对是微乎其微的，进而断言“惯性力起源于受力物体相对于遥远星系的加速运动”。25其实，该问题的答案非常简单：我们不能用静力学理论来分析动力学问题，由于太阳对地球的引力，已被地球绕日转动而消耗殆尽；其他远域物质对太阳的引力，已被太阳绕银河中心的转动而消耗殆尽，所以桶中的水所能感知的几乎只是地球的引力。地球的引力场强度g，正是全宇宙物质所产生的引力“综合影响”的结果。这个理由也可以漂亮地解释引力（纽曼-希林格）佯谬。因此，笔者坚信，被牛顿的水桶实验证实了的绝对处所，就是引力场。如果把本域物体的引力场称为“本征引力场”，那么，惯性力正是起源于物体相对于“本征引力场”的加速运动。需要强调的是，宇宙间无处不在的引力场，其强度一般是不均等的，全宇宙不存在统一、均匀、平直的“绝对处所”，所有的“绝对处所”都是局域的。这也就漂亮地解释了夜黑（奥伯斯）佯谬。看来，“引力场”能够把牛顿和马赫对于水桶实验的对立观点协调、统一起来，至今尚无定论的“惯性力起源”问题也能明快地得到解决，我们对“绝对空间”的误解早就应该被消除。第五章 重新审视惯性定律、惯性系、惯性力，给牛顿力学打补丁数百年来，惯性力的起源问题一直没搞清楚，现在我们已明确了“惯性力是起源于物体相对于“本征引力场”的加速运动。”因此，有必要把那些与“惯性”相关的理论作一番重新审视。12、“惯性定律”应该打个补丁，将不再支撑伽利略相对性原理牛顿的水桶实验论证了“绝对运动”的存在，而伽利略相对性原理完全否定“绝对运动”，因此，伽利略相对性原理与牛顿的绝对时空观是根本对立的。然而，令人疑惑的是，伽利略相对性原理竟然得到了本该属于绝对时空观的牛顿第一定律的支撑。“惯性定律说明静止与匀速直线运动都是物体在不受外力作用下，能不断维持下去的状态；相对性原理则说明在静止与匀速直线运动这两种状态中，力学定律是相同的。这就揭示了力学中的静止状态与匀速直线运动状态的等价性。” 26 可见伽利略相对性原理和牛顿第一定律是相互支撑的。在本文第三章，笔者已告诫大家不要迷信伽利略相对性原理，并提出将在下文中否定伽利略相对性原理，一定有人会问，既然它们相互支撑，难道为了否定相对性原理还要放弃牛顿第一定律吗？当然，我们不会放弃牛顿第一定律，但是必须对它的缺陷进行修正。牛顿在第一定律中，改变了伽利略提出的“物体会沿着水平方向永不停止地一直运动下去”的惯性运动的表述，27 但牛顿并未给出任何理由。如今找到了“绝对处所”，惯性运动当然是物体相对于本征引力场而言的，那么，惯性运动的状态就应该与引力场的分布有关。在地球本征引力场中，水平面就是一个等势面，物体在只受到平衡力的情况下，只能是保持静止，或沿等势面匀速运动，唯有这样，牛顿第一定律才符合机械能守恒定律！依此，应把牛顿第一定律修正为：相对于其所处的引力场，每个物体都保持其静止或按原方向并沿等势面作等速运动的状态，除非有“外加力”作用于它迫使它改变那个状态。“外加力”的含意是：任何物体都不可能不受力，物体保持惯性运动状态是因为所受的合力为零；让原先所受的合力不再为零的力，就是“外加力”。对牛顿第一定律进行这样的修正，其优越性是明显的：A、明确了牛顿第一定律的绝对参考系是物体所处的引力场，而不同于原先那样没有明示（因为牛顿始终找不到“绝对处所”，所以他确实无法明示），牛顿力学就不再是爱因斯坦所讥讽的那样，是“悬在半空中”、“筑在沙堆上”的学说了；B、保持了牛顿的绝对时空观在牛顿力学中的一致性、完整性；C、修正后的牛顿第一定律不再与机械能守恒定律相抵触；D、修正后的牛顿第一定律与伽利略的惯性思想保持一致。如此修正之后，在牛顿力学中，静止状态与匀速直线运动状态不再具有等价性，引力场就是牛顿力学的从尤的参考系绝对参考系，伽利略相对性原理也就完全失去了牛顿力学的支撑。这是笔者对牛顿力学打的第一个补丁。13、“惯性系”对于研究力学问题不是必须的，应该放弃几乎所有的力学教科书都给我们划定了一条铁律：牛顿力学定律只有在惯性系中才能成立，爱因斯坦更把惯性系看成牛顿力学和狭义相对论的基本框架，可是，牛顿本人却从来没有提出过“惯性系”这一概念。那么，是谁最早提出了“惯性系”概念的呢？动机又是什么？ 由于牛顿始终没能找到“绝对处所”，而大家又把“绝对空间”和“绝对处所”混为一谈，进而误认为“绝对空间”就是牛顿力学体系的基本框架，是其绝对参考系。既然找不到“绝对空间”，那么牛顿力学的绝对参考系也无法确定，而研究运动问题又无法不牵涉其参考系，因此，在马赫批判牛顿的“绝对空间”之后两年，“德国物理学家朗奇（L.Lange）在1885年（这是牛顿去世了158年之后，爱因斯坦刚6岁那一年）发表的论伽利略惯性律的科学结构一书中，从物理概念的基础寻找消除绝对空间概念的方法。这个方法是用惯性系取代绝对空间，将牛顿力学体系建立在惯性系的基础上，从而使牛顿的力学定律在消除绝对空间的条件下，仍能保持其全部物理意义。”28 朗奇定义：惯性定律成立的参考系称为惯性系。29 从此，“对绝对运动的需要已被一组惯性系所替代”。30然而，正如爱因斯坦所指出的那样，该惯性系定义存在着无法解脱的逻辑循环，31 虽然牛顿力学和“狭义相对论的整个理论都建立在惯性系的基础上，但是我们却无法定义或找到一个惯性系。” 32 问题还在于，如果非要在惯性系中才能运用牛顿运动定律，那么，牛顿定律还会有如此广泛的普适性吗（几乎涵盖了从地面物体到天体的所有运动）？在实际情况中，即使在非惯性系中观察和处理物体的运动，我们仍然可以应用牛顿定律。例如，在一辆相对地面作匀加速直线运动的车厢内，把一条系着一个小球的弹簧，水平放置在平整光滑的地板上，弹簧的另一头连接在车厢前端的厢壁上。在地面上的A观察者看来，小球受到弹簧的拉力随同车厢作匀加速直线运动，符合牛顿定律。但在车厢内的B观察者看来，弹簧上显示了读数，这就意味着小球受到了一个水平方向的作用力，但却居然处于“静止”状态，这显然是违反牛顿定律的。但我们可以引入一个虚拟的、假想的“惯性力”来解释这个现象，这个惯性力与弹簧作用于小球的力大小相等，方向相反，也作用在该小球上。如此一来，车厢内的B观察者仍然可以应用牛顿定律来方便地分析运动问题：小球“静止”的原因是受力平衡。类似的，如果在一个相对于地面作匀速转动的转盘上放置一个小球，小球通过弹簧与转盘中心相连接。在随同转盘一起转动的B观察者看来，小球是处于相对“静止”状态的，但是弹簧上却显示了读数。于是为了能够应用牛顿定律解释小球的“静止”状态，B观察者也可以引入一个虚拟的惯性离心力作用在小球上，从而使小球处于平衡状态。朱鈜雄先生总结：“从以上例子的分析中似乎可以得出这样的结论：不论在什么参考系中，只要观察者引入了惯性力，就能够运用牛顿定律成功地解释在这些参考系中出现的各种力学现象。”33 哈佛教科书力学引论对此有相同的结论：“这两个系统中的任何一个，对于问题的分析都是有效的。” 34 几乎所有的力学教科书也都是这个意思。朱鈜雄先生敏锐地发现了一个问题：“如果把牛顿定律能够成立的参考系称为惯性系，那么引入惯性力以后，任何参考系也都可以称为惯性系。而如果所有的参考系都是惯性系，那么也就没有必要定义惯性系。” 35这真是太有思想了！朱先生接着指出：定义惯性系是必要的，因为“惯性力”是假想的虚构的力，其没有反作用力，不属于牛顿第三定律定义的力的范畴，因此，在非惯性系中成功解释力学现象所运用的不是完整的牛顿运动定律。“第三定律为第一定律和第二定律得以成立的惯性系提供了得以存在的保障。” 35 笔者并不认同这样的解释，笔者认为：“惯性系”对于研究牛顿力学问题确实不是必须的，应该放弃，理由是：1）牛顿不提出、不依赖“惯性系”，却几乎正确地解决了从地面物体到天体的所有运动问题，“惯性系”就是画蛇添足；2）朗奇的“惯性系”仅仅是因为找不到“绝对空间”的“正身”而找来的“替身”，既然水桶实验已证明了“绝对运动”的存在，现在又找到了其“绝对处所”的正身引力场，牛顿力学是以引力场为绝对参考系的，根本就不再需要这个替身；3）引入“惯性力”以后，任何参考系都可以称为惯性系，还有必要定义惯性系吗？所谓惯性力没有反作用力这个观点并不正确（下文将论证）；4）既然“惯性系”定义带有逻辑循环毛病 ，大家也无法找到一个真正的惯性系 ，保留它有何必要？ 因此，“惯性系”概念必须放弃。14、“惯性力”不是虚假的力，它有反作用力几乎所有的力学教科书都告诉我们，“惯性力”是想象出来的力，是虚假的力，它不是来自于物体与物体的相互作用，所以惯性力没有反作用力。这真是奇怪，只要假想一下有这个力的存在，就可以把非惯性系中的运动当作惯性系中的一样，运用牛顿运动定律来处理。那么，“惯性力”究竟是何方神圣？能有如此大的神通呢？其实，在找到了牛顿力学的“绝对处所”（绝对参考系）就是引力场之后，问题就变得非常简单了。马赫曾误认为：“惯性力起源于受力物体相对于遥远星系的加速运动。”而根据本文第11节，我们已知道，惯性力是起源于物体相对于“本征引力场”的加速运动。所以，惯性力不是想象出来的力，而是物体相对于引力场加速而受到的引力场对它的作用力，引力场也是物质，惯性力当然是物质之间的相互作用力，引力场怎么可能不受到该惯性力的反作用力呢？简言之，引力场对物体施加惯性力，物体则对引力场施加反作用力。15、给“绝对运动”和“绝对静止”定义也打个补丁，原理中唯一的一个假设也不再需要了，让牛顿宇宙体系更严密从本文第13节的例子和第14节的论述，我们可以总结出来：加速车厢里的观察者也好，转动圆盘上的观察者也好，他们所在的参考系与绝对参考系（本征引力场）并不等价，他们看到小球的静止是“相对静止”。实质上，小球都相对于绝对参考系有一个加速度，这才是“绝对运动”。在绝对参考系中测到的是小球产生了一个加速度，在加速参考系内测到的就是该小球受得了“本征引力场”对它产生的一个惯性力。这就是惯性力的本质和起源！再重复一遍，这就是惯性力的本质和起源！因此，应该对原理中原先表达得不准确的“绝对运动”和“绝对静止”定义作些修正。修正后的“绝对运动”定义是：“相对于绝对处所（本征引力场）的加速运动，称为绝对运动。”修正后的“绝对静止”定义是：“绝对处所（本征引力场）的中心是不动的，称为绝对静止。”这是笔者对牛顿力学打的第二个补丁。根据修正后的“绝对静止”定义，宇宙中有无数个不动的“中心”，每一个本征引力场的中心都是“不动的”、“绝对静止”的，是研究本征引力场区域内物体运动的“绝对参照物”。从而就有：研究地球系内的运动问题，地球和月球的公共重心是不动的；研究太阳系内的运动问题，地球、太阳以及所有行星的公共重心是不动的（这就是牛顿的日心体系）；研究全宇宙的运动问题，全宇宙所有星球的公共重心是不动的。尽管这些“不动的中心”相互之间是运动的，但这个“不动”是相对于所研究的运动而言的，这就是说，“绝对静止”也有相对性，这里的“绝对静止”、“不动”二词，只是沿用牛顿的说法，不必死抠字眼。显然，上述思想就是牛顿宇宙体系的基本框架，因为，牛顿在原理的“第三编、宇宙体系”中有假设1：“宇宙体系的中心是不动的。”又有命题11：“地球、太阳以及所有行星的公共重心是不动的。”36 有了修正后的“绝对静止”定义，原理中这唯一的假设就不再需要了，牛顿的宇宙体系变得更加严密！16、把被废弃的“相对性原理”改造为“绝对性原理”牛顿的水桶实验已证明了“绝对运动”的存在，力学定律也找到了自己的绝对参考系，而伽利略相对性原理完全否定绝对运动，否定绝对参考系，与实际情况也严重不符，现在更是失去了惯性定律的支撑，除了被彻底否定，完全没有其他的选择。固定在地球上的坐标系也好，固定在伽利略大船上的坐标系也好，都只是地球绝对参考系的很好的近似。它们既不等价，也不平权。伽利略变换，仅是这些相对于绝对参考系低速的、相互近似的参考系之间，精度很高、很实用的坐标变换方法而已。因此，伽利略相对性原理，完全错误，应该被废弃；伽利略变换，很实用，应该被保留。既然伽利略相对性原理在力学领域中也无法成立，还能指望把它推广到一切物理领域吗？所以，经爱因斯坦推广之后的狭义相对性原理，更是不能成立。不过，相对性原理也并非一无是处，我们可以利用它部分有用的思想，把它改造为“绝对性原理”。所谓“绝对性原理”就是：在任何“绝对参考系”（本征引力场）中，物理学定律都绝对具有相同的数学表达形式，换言之，所有“绝对参考系”对于描述物理现象都是绝对等价、平权的。如果在其他的星球上，会有另外一套不同于地球上的物理学定律，那绝对是不可想象的。用“绝对性原理”来看待本文第8节的问题，就非常好理解了。首先，自由落体升降机上为什么力学定律很有效呢？这是因为，地球对升降机的引力，已完全用来产生了升降机的自由落体运动，可以认为这一引力已消耗殆尽，所以，自由落体升降机的本征引力场，是由升降机本身的质量产生的。升降机上的物体，在升降机的本征引力场内运动，也就是在升降机的绝对参考系内运动，当然遵循力学定律。而且因为升降机的质量太小，其本征引力场太弱，所以升降机内的物体几乎完全失重。同样的原因，在地球上，在月球上，在一切自由飞行的天体上（包括人造的飞行器），力学定律都非常有效，且自转速度越慢，越有效。为什么说“自转速度越慢，越有效”呢？因为物体自转时，其质量中心并没移动，自转不会造成引力场发生变化，所以不会带动本身的绝对参考系。固定于自转天体上的坐标系，其本身并不是绝对参考系，天体自转的速度越慢，该坐标系与绝对参考系