用相對(duì)源觀對(duì)解析慣性力和等效原理

1、用“相對(duì)源觀對(duì)”解析“慣性力”和等效原理湯克云中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)kytang摘要愛(ài)因斯坦強(qiáng)等效原理認(rèn)為，“慣性力”場(chǎng)與引力場(chǎng)對(duì)一切物理效應(yīng)等效。什么是“慣性力”，源起何處？牛頓、馬赫和愛(ài)因斯坦各有看法，這是一個(gè)懸而未決的基礎(chǔ)物理學(xué)難題。我們用“相對(duì)源觀對(duì)”取代了無(wú)法定義的“慣性系”，重新表述了經(jīng)典物理定律，發(fā)現(xiàn)“慣性力”的本質(zhì)是物理源與觀測(cè)者之間的相對(duì)加速度(RAOSO)。本文將物體的質(zhì)量（所含物質(zhì)的量）定義為物體的第一內(nèi)稟特性，與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及受力狀態(tài)無(wú)關(guān)，則自然只存在一種質(zhì)量。如果引力是物理源和觀測(cè)者之間的唯一作用力，則源觀相對(duì)加速度RAOSO等于引力加速

2、度；當(dāng)我們考慮“一切物理效應(yīng)”，引力不再是物理源和觀測(cè)者之間的唯一作用力，則源觀相對(duì)加速度RAOSO不再等于引力加速度，強(qiáng)等效原理不能成立。在牛頓水桶實(shí)驗(yàn)中，是人力讓水在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，產(chǎn)生了源（水）觀（地球）相對(duì)加速度即所謂的“慣性力”。在這短時(shí)間內(nèi)，地球和遙遠(yuǎn)天體的引力并無(wú)顯著變化，即使遙遠(yuǎn)天體的引力發(fā)生了顯著變化，也不可能在短時(shí)間內(nèi)傳遞至水桶。所以，水的“慣性力”與地球的引力無(wú)關(guān)，更與遙遠(yuǎn)天體對(duì)水的引力無(wú)關(guān)。關(guān)鍵詞：慣性系，慣性力，等效原理，相對(duì)源觀對(duì)，源觀相對(duì)加速度，牛頓水桶實(shí)驗(yàn)，馬赫原理An analysis on inertial force and the equivalenc

3、e principle by the relative pair of source and observerKeyun TangInstitute of geology and geophysics, Chinese academy of sciencesNational astronomical observatory, Chinese academy of sciencesAbstractEinsteins strong equivalence principle believes that the inertial field and gravitational field are e

4、quivalent to all physical effects. What is the inertial force, where is its origin? Newton, Mach and Einstein all have different points of view; this is a difficult and unsolved problem in basic physics. We have replaced the concept of inertial system by relative pair of physical source and observer

5、 (RPOSO), and re-described the laws of classical physics, found that the nature of inertial force is the relative acceleration between the physical source and the observer (RABSO).This paper defines the mass as the first intrinsic characteristics of the object, which had nothing to do with its motio

6、n state, and there naturally is only one kind of mass concept. If gravity is the only force between physical source and observer, the relative acceleration between source and observer (RABSO) should be equal to the gravitational acceleration. If we consider all physical effects, it means that gravit

7、y is no longer the only acting force between the source and the observer, RABSO is not equal to the gravitational acceleration, and, of course, the strong equivalence principle cannot be established. In the experiment of Newton bucket, it is that human power makes water to revolve in a short time, a

8、nd to produce a relative acceleration between physical source (the water) and observer (the Earth). Therefore, waters inertia has nothing to do with the Earths gravity, more has nothing to do with the gravity from distant celestial objects.Key words: inertial system, inertial force, the equivalence

9、principle, the relative pair of physical source and observer (RPOSO), relative acceleration between physical source and observer (RABSO), Newton bucket experiment, Machs principle.引言S. Weinberg 指出：物理學(xué)并不是一個(gè)已經(jīng)完成的邏輯體系。相反，它每時(shí)每刻都存在著觀念上的巨大混亂，有些觀念像民間詩(shī)史那樣，從往昔英雄時(shí)代流傳下來(lái)；而另一些則是像空想小說(shuō)那樣，從我們對(duì)于將來(lái)會(huì)有偉大理論的向往中產(chǎn)生出來(lái)。（溫伯格

10、: 引力論和宇宙論）我們認(rèn)為， 無(wú)法定義的“慣性系”概念可能是物理學(xué)中最基礎(chǔ)、影響最大的混亂。經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電磁學(xué)包括狹義相對(duì)論都是在“慣性系”的邏輯基礎(chǔ)上建立起來(lái)的；甚至于，愛(ài)因斯坦為了擺脫狹義相對(duì)論中“慣性系”無(wú)法定義的困難而建立起來(lái)的廣義相對(duì)論也未能徹底擺脫“慣性系”-為了彌補(bǔ)史瓦西度規(guī)的徑向坐標(biāo)一般沒(méi)有測(cè)量意義的困難，愛(ài)因斯坦不得已提出了“局域慣性系”的概念，但它仍然是一種無(wú)法定義的“慣性系”。此外，由“慣性系”概念衍生而來(lái)的“慣性力”以及“等效原理”也造成了巨大的邏輯混亂。1. “慣性力”是如何在“慣性系”概念的基礎(chǔ)上引入的在經(jīng)典力學(xué)中， 在兩個(gè)“慣性系”之間沒(méi)有“慣性力”。 先在兩

11、個(gè)“慣性系”（例如大地）和（例如勻直運(yùn)動(dòng)的列車）中考察質(zhì)點(diǎn)的加速運(yùn)動(dòng)。 記質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量為 在中的加速度分別為，所受作用力分別為， 牛頓第二定律可分別寫成 （1）和 （1- a）由于兩個(gè)“慣性系”之間的相對(duì)加速度為零，則質(zhì)點(diǎn)在兩個(gè)“慣性系”的加速度相同，即.代入（1-a），得這就是說(shuō)，在兩個(gè)“慣性系”中，質(zhì)點(diǎn)的加速度相同，所受作用力也相同，即力學(xué)規(guī)律不可區(qū)分！（不但是形式相同，而且是規(guī)律相同?。?在一個(gè)“慣性系”和一個(gè)“非慣性系”之間出現(xiàn)了“慣性力”。當(dāng)上述兩個(gè)“慣性系”中的一個(gè)（如火車）開(kāi)始加速，相對(duì)于大地的加速度為，再來(lái)考察質(zhì)點(diǎn)對(duì)于大地的運(yùn)動(dòng)。仍記質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量為 它在中的加速度分別為，所受作用力

12、分別為，此時(shí)有 （2）其中，被稱為絕對(duì)加速度，被稱為牽連加速度，被稱為相對(duì)加速度。在中，牛頓運(yùn)動(dòng)定律可分別寫成 （3）和 （4）這就是說(shuō)，在“慣性系”和“加速系”中，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不再相同。如果記（5a）和 (5b)則質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)定律可寫成 （6）這就是說(shuō)，從形式上看，質(zhì)點(diǎn)在“加速系”中的運(yùn)動(dòng)定律（6）與在“慣性系”中的運(yùn)動(dòng)定律（3）相同，都滿足牛頓第二定律。經(jīng)典物理中將其中的虛擬力稱之為“慣性力”。（注意，（6）式告訴我們：牛頓第二定律實(shí)質(zhì)上只是給出了在任意參考系中力的定義-與相對(duì)于該參考系的加速度成正比，比例系數(shù)就是質(zhì)量； 類似地，引力定律給出了引力的定義，比例系數(shù)也是質(zhì)量；鑒于絕對(duì)重力儀也

13、是根據(jù)運(yùn)動(dòng)定律 來(lái)確定引力的，即引力加速度與一般的加速度沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，則引力公式中的質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)定律中的質(zhì)量也應(yīng)當(dāng)沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。）2. “慣性力”概念帶來(lái)的主要困惑 在定義“慣性力”時(shí)用到了“慣性系”的概念， 但“慣性系”無(wú)法定義；真實(shí)力都是真實(shí)物體相互作用的結(jié)果，但虛擬的“慣性力”與相互作用無(wú)關(guān)； “慣性力”的源是什么？如何解釋牛頓水桶實(shí)驗(yàn)？牛頓、馬赫和愛(ài)因斯坦都有根本不同的見(jiàn)解。牛頓認(rèn)為，桶中水的“慣性力”產(chǎn)生于水對(duì)于絕對(duì)參考系的轉(zhuǎn)動(dòng)；馬赫認(rèn)為，水的“慣性力”產(chǎn)生于水相對(duì)于遙遠(yuǎn)星系的加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的引力。 如果認(rèn)為在愛(ài)因斯坦升降機(jī)的質(zhì)心處的“慣性力”與引力互相抵消，成為“慣性系”，則產(chǎn)生引

14、力的天體如地球、太陽(yáng)反而不是“慣性系”了，與經(jīng)典物理的觀念明顯矛盾，無(wú)法解釋。3. 用“相對(duì)源觀對(duì)”取代“慣性系”，重新表述經(jīng)典物理定律經(jīng)典電磁學(xué)，經(jīng)典力學(xué)，包括狹義相對(duì)論都是在無(wú)法定義“慣性系”的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的, 這是一個(gè)根本性的邏輯困難。用“相對(duì)源觀對(duì)”取代“慣性系”，可以避免這一邏輯困難。在“相對(duì)源觀對(duì)”中，沒(méi)有絕對(duì)靜止，只有物理源與觀測(cè)者之間的相對(duì)靜止；沒(méi)有絕對(duì)參考系，參考系之間的關(guān)系都是相對(duì)的；沒(méi)有絕對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)，只須研究物理源與觀測(cè)者之間的相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)；絕對(duì)加速度不可測(cè)量，可測(cè)量的是物理源與觀測(cè)者之間的相對(duì)加速度?？赡苡腥藭?huì)有疑問(wèn)：既然“慣性系”無(wú)法定義或根本不存在，為什么基于“慣

15、性系”的理論與觀測(cè)符合得很好呢？這是由于：根據(jù)“相對(duì)源觀對(duì)”的概念，建立在所謂“慣性系”基礎(chǔ)上的物理規(guī)律的實(shí)質(zhì)是當(dāng)物理源相對(duì)于觀測(cè)者靜止（或相對(duì)于觀測(cè)者作勻速直線運(yùn)動(dòng)）時(shí)，觀測(cè)者所觀測(cè)到的物理規(guī)律！“相對(duì)源觀對(duì)”是合乎邏輯的，與觀測(cè)符合自然合理。根據(jù)“相對(duì)源觀對(duì)”的概念，牛頓運(yùn)動(dòng)定律不再是建立在單獨(dú)的絕對(duì)“慣性系”的基礎(chǔ)上，不是描述物理源在“慣性系”中的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而是描述物理源與觀測(cè)者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在牛頓第二定律 （1）中，加速度不再是“慣性系”中的加速度，而只是相對(duì)于“觀測(cè)者”的加速度。 由此可以看出，牛頓第二定律是力的定義！為了給力下一個(gè)清楚的定義，必須先選擇質(zhì)量的定義，愈簡(jiǎn)單愈

16、好?？烧J(rèn)為物體的質(zhì)量是其第一內(nèi)稟特征，取決于所含分子、原子和基本粒子的種類和數(shù)量，是物體的基本特征，與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，與物體的受力方式無(wú)關(guān)，即只有一種質(zhì)量，在引力公式中出現(xiàn)的質(zhì)量或是在運(yùn)動(dòng)定律中出現(xiàn)的質(zhì)量是同一個(gè)概念，無(wú)所謂引力質(zhì)量或慣性質(zhì)量。運(yùn)動(dòng)對(duì)物體規(guī)律的影響可另行考慮，比如，歸算到對(duì)物體能量的影響。4. 用“相對(duì)源觀對(duì)”解析“慣性力”現(xiàn)在用“相對(duì)源觀對(duì)”的觀點(diǎn)重新審視公式 （2）其中，不再被稱為絕對(duì)加速度，而只是物理源（質(zhì)點(diǎn)P）相對(duì)于基礎(chǔ)觀測(cè)者（大地）的相對(duì)加速度，只是中介觀測(cè)者(火車)相對(duì)于基礎(chǔ)觀測(cè)者（大地）的相對(duì)加速度，是物理源（質(zhì)點(diǎn)P）相對(duì)于中介觀測(cè)者（火車）的相對(duì)加速度。中介

17、觀測(cè)者的引入只是為了研究的方便，不是根本性的。物理源（質(zhì)點(diǎn)P）與觀測(cè)者之間的相對(duì)加速度(RAOSO)才是根本性的物理量?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，所謂“慣性力”的本質(zhì)是觀測(cè)者對(duì)于物理源的相對(duì)加速度。5. 關(guān)于“局域慣性系”和“等效原理”愛(ài)因斯坦等認(rèn)為，在升降機(jī)的質(zhì)心，“慣性力”與引力相互抵消，是一個(gè)“局域慣性系”。由引力定律確定的引力質(zhì)量與由牛頓第二定律確定的慣性質(zhì)量相等，這是弱等效原理；在無(wú)窮小的范圍內(nèi)，慣性力場(chǎng)與引力場(chǎng)的一切物理效應(yīng)都不可區(qū)分，這就是強(qiáng)等效原理。在以前的論文中，我們用反證法已從邏輯上證明，不存在“局域慣性系”。退一步說(shuō)， 即使在一個(gè)點(diǎn)上成立，也不具備作為一個(gè)物理原理的資格！作為一個(gè)物理原理

18、，必須在相當(dāng)大的范圍內(nèi)具有某種共同特性?，F(xiàn)在，我們來(lái)證明強(qiáng)等效原理不成立。上面已證明，所謂的“慣性力”的本質(zhì)是觀測(cè)者與物理源之間的相對(duì)加速度。 假如觀測(cè)者相對(duì)于引力源的相對(duì)加速度完全是由引力造成的，當(dāng)然有“慣性力場(chǎng)=引力場(chǎng)”，例如在無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由落體的質(zhì)心；如果考慮“一切物理效應(yīng)”，觀測(cè)者相對(duì)于物理源的相對(duì)加速度不完全是由引力造成的，則觀測(cè)者相對(duì)于引力源的相對(duì)加速度（慣性力）當(dāng)然不等于引力場(chǎng)，強(qiáng)相對(duì)性原理自然不成立！例如， 火車參考系的加速運(yùn)動(dòng)是由電力或機(jī)械力引起的，則火車參考系相對(duì)于地球的系統(tǒng)加速度肯定與引力加速度不相等。很多教科書都意識(shí)到：缺乏支持強(qiáng)等效原理的實(shí)驗(yàn)根據(jù)。6. 用“相對(duì)源觀對(duì)”

19、解析牛頓水桶實(shí)驗(yàn)在牛頓水桶實(shí)驗(yàn)中，是人力讓水在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，改變了觀測(cè)者（地球）對(duì)于物理源（水）的相對(duì)加速度。 按照“相對(duì)源觀對(duì)”的觀念，是人力產(chǎn)生了所謂的“慣性力”。在短時(shí)間內(nèi)，地球?qū)λ囊](méi)有發(fā)生突然的變化，所以，產(chǎn)生“慣性力”的原因不可能是地球?qū)λ囊Γ蝗绻麑?duì)水桶中水作用的慣性力來(lái)自于遙遠(yuǎn)天體的引力，則此引力傳至水桶中需要極長(zhǎng)的時(shí)間，不可能立即對(duì)水產(chǎn)生作用，這就是說(shuō)，使水桶中的水面出現(xiàn)瞬時(shí)凹曲的慣性力不可能來(lái)自于遙遠(yuǎn)的星系！ 馬赫原理關(guān)于一切物體的慣性效應(yīng)來(lái)自宇宙空間物質(zhì)作相對(duì)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)源的引力作用的論述不正確。 具體說(shuō)來(lái)，l 當(dāng)桶和桶中水都靜止在地球上，水（物理源）相對(duì)于地球（

20、觀測(cè)者）無(wú)加速度，即慣性力為零，所以水面平坦； l 當(dāng)人力讓桶剛開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，但桶中水尚未被水桶帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)前，水（物理源）相對(duì)于地球（觀測(cè)者）尚無(wú)加速度，慣性力為零，所以水面平坦；l 當(dāng)水通過(guò)桶接受了人力的能量，被充分帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，水（物理源）相對(duì)于地球（觀測(cè)者）有了加速度，即有了慣性力，所以水面凹曲；l 當(dāng)桶突然停止轉(zhuǎn)動(dòng)，而桶中水仍在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于水（物理源）相對(duì)于地球（觀測(cè)者）仍有加速度，即仍有慣性力，所以水面凹曲！至此，我們對(duì)看似簡(jiǎn)單，實(shí)則困惑異常的牛頓水桶實(shí)驗(yàn)給出了圓滿解釋。在本文的最后，我們?cè)敢庵赋觯涸S多教科書中都有一種習(xí)慣的表述：“水星在銀河系中繞太陽(yáng)作加速運(yùn)動(dòng)，水星是一個(gè)非慣性系，太陽(yáng)是一

21、個(gè)很好的慣性系，銀河系則是更好的慣性系。” 嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這樣的表述不符合相對(duì)論。 我們已一再?gòu)?qiáng)調(diào)，根據(jù)徹底的相對(duì)論，所有的運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的，所有的加速度都是相對(duì)的。 無(wú)法測(cè)定任何參考系的絕對(duì)加速度，當(dāng)然無(wú)法說(shuō)某個(gè)參考系的絕對(duì)加速度更接近零，或認(rèn)為某個(gè)參考系是更好的“慣性系”！嚴(yán)格的相對(duì)論表述應(yīng)該是：水星相對(duì)于太陽(yáng)作加速運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)相對(duì)于水星也作加速運(yùn)動(dòng)， 太陽(yáng)與水星組成一個(gè)“相對(duì)源觀對(duì)”；水星相對(duì)于銀河系作加速運(yùn)動(dòng)，銀河系相對(duì)于水星也作加速運(yùn)動(dòng)，銀河系與水星組成一個(gè)“相對(duì)源觀對(duì)”；太陽(yáng)相對(duì)于銀河系作加速運(yùn)動(dòng)，銀河系相對(duì)于太陽(yáng)也作加速運(yùn)動(dòng)， 銀河系與太陽(yáng)組成一個(gè)“相對(duì)源觀對(duì)”。不能說(shuō)誰(shuí)是比誰(shuí)更好的近似“慣性系”，“慣性系”的概念根本不存在！當(dāng)然，在各星體表面研究粒子的受力情況時(shí)，要考慮到由于各星體自轉(zhuǎn)角速度的大小