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《相对论“马失前蹄”在惯性原理》一文的发表(见本刊2003年第7期)引发了一场争论。从发表的多篇文章来看,论辩双方都各持已见,短期内似难获得统一。为了尽快结束这场旷日持久而又意义不大的争论,特提出几点粗浅的看法。
一、曲线运动不是惯性运动
在讨论惯性运动之前,有必要先弄清“运动”和“惯性”的要义。
什么是“运动”?现代汉语辞典有四种释义。但是,对于我们所讨论的问题来说,应取第一种释义,即“物体位置不断变化的现象。通常指一个物体和其他物体之间相对位置的变化。说某物体运动常是对另一物体而言”。由此可见,运动必须有位移;没有位移不算运动。因此,电扇的逸转,陀螺的原地打转,就整体而言都不是运动,而是静止的特例。
何谓惯性?根据该辞典的释义,为“物体保持自身原有运动状态或静止状态的性质,如行驶的机车刹车后不马上停止前进,静止的物体不受外力作用就不变位置,都是由于惯性的作用”。
那么,什么是惯性运动呢?我认为,惯性运动就是物体不受外力或合外力为零时的运动状态。“惯性运动”和“匀速直线运动”是同义语。
有人认为,惯性运动就是惯性作用(使然)下的运动。这是错误的。因为任何运动都是惯性在起作用,没有惯性作用的运动是不存在的,这一点是毋庸置疑的,因为质量是惯性的量度。试问:有哪种运动可以离开质量?因此,惯性作用下的运动不是惯性运动;惟有单纯由惯性作用下的运动才是惯性运动。据此,子弹出膛后的运动和标枪离手后的飞行都不是惯性运动。
下面,我将证明惯性运动必定是匀速直线运动。
假设物体作曲线运动。在这种情况下,运动的方向必随时间改变,也就是说存在速度的增量。按照牛顿第二定律,一定有外力作用于它。这当然不是惯性运动。所以,惯性运动必定匀速直线运动。证毕。
现在我们分析一下风扇逸转时的受力情况。风扇的逸转,虽然就整个风扇而言是不运动的,但就其局部(如叶片)而言是运动的,因为它有位置的变化。叶片之所以进行圆周运动,除了惯性起作用之外,还有向心力的作用。一旦向心力消失(如叶片突然断裂),叶片就会立刻沿切线方向飞出。如果没有空气阻力和地心引力,叶片就会作匀速直线运动。
需要指出的是,惯性运动在现实生活中是不存在的。因为不论我们把物体的表面做得多么光滑,都无法把摩擦力完全消除,而且也不可能做出一个绝对平的平面;在宇宙空间也不可能找到一个完全没有引力场的区域。所以,现实中的一切运动都是非惯性运动。因此,那种“惯性运动寓于非惯性运动之中,任何非惯性运动都蕴涵着惯性运动”的提法是不正确的。
二、惯性定律的表述没有错
在物理教材中,惯性定律一般是这样表述的:“物体不受外力时,它将保持静止或匀速直线运动状态,直到外力改变运动状态为止。”这种表述反映了惯性运动的本质特征,与牛顿第二定律相一致。我们知道,惯性运动是牛顿第二定律在外力为零时的运动状态。从F=mdv/dt可以推出:当F=O时,V为常数,因此,其运动状态只能是匀速直线运动。因此,这种表述根本不存在所谓“片面性”和“形而上学”的弊端,更没有“误导”之虞。反之,经过“厘正”之后的惯性定律,并没有反映出惯性运动的本质,而且还会起误导的作用。因此,加上“倾向”二字实为弄巧成拙。
当然,惯性定律的现行表述并不是十全十美,无懈可击的。例如,它的“静止”和“匀速直线运动”都是针对特定的参照系而言的。对地面“静止”和“匀速直线运动”,相对于太阳就不是。因此,人们一直想寻找到一种普适的表述。近者而言,有曲元春先生的“惯性定律的新表述”(见本刊2003年第3期)。他所提出的表述为“物体自身保持其所获得的运动速率不变,或/和运动方向不变的性质称为惯性,这种惯性是一切物体都具有的特征。”恕我直言,这种表述不通俗易懂,且读起来拗口。更甚的是,极易引起人们的误解: 以为原地打转的陀螺也是惯性运动。因此,窃以为这种新表述并不可取。
其实,惯性定律已成了几乎家喻户晓、妇孺皆知的常识,根本不会起误导作用。那种学究式的咬文嚼字是没有必要的。而且,我认为无论在文字上表述得多么完美无缺,其真实含义都不会改变,它根本不会改变惯性定律的科学价值,更不会“关系到整个科学的前途和命运”。
三、什么是惯性参照系
笔者认为,所谓惯性系,简单地说,就是对牛顿第一定律成立的参照系。因此,一切作匀速直线运动的参照系都是惯性系。前面已经指出,在实际生活中根本没有惯性运动的物体,因此,真正的惯性系是不存在的。
虽然现实生活中不存在真正的惯性系,但近似的惯性系是有的。地面参照系就是一个近似的惯性系:太阳参照系也是一个近似的惯性系。
应该说,在惯性系的问题上是存在着一些糊涂观念的,而且有的糊涂得十分离谱。一本书名为《湘对论与时空》的书(郑庆璋、崔世治编著,山西科学技术出版社出版)写道:“就质点力学而言,在引力场中自由下落的参考系也是一个惯性系。”。“只有时空范围趋于零的极限情况下,我们才能有精确的惯性系。”这些简直都是胡扯!试问:在一个点上如何建立坐标系?一个加速运动的参考系是惯性系?这种书竟能出版发行,并以“科普读物”向社会推销,真是令人百思莫解。
四、牛顿定律只对惯性系成立
由于惯性系是对牛顿第一定律即惯性定律成立的参照系,故牛顿第一定律只适用于惯性系。
那么,牛顿第二定律是否只对惯性系成立呢?回答是肯定的。因为牛顿第一定律是牛顿第二定律的特例。既然牛顿第一定律只适用于惯性系,牛顿第二定律必然也只适合于惯性系。
道理是这样,实际情况是否也是这样呢?我们知道,牛顿第二定律是这样表述的:“加速度与作用力成正比,与质量成反比。”显然,这种表述只对惯性系成立,而对非惯性系是不成立的。
由此我们得出结论:牛顿第一、第二定律只适用于惯性系。
有一种论调:“牛顿定律不仅适用于惯性系,也适用于非惯性系。”根据是,牛顿第二定律可以解决非惯性系中的运动问题。这种看法是错误的。因为在解决非惯性系的问题时,必须对第二定律加以改造。而且,适用(成立)和可用是两个不同的概念,不能混为一谈。例如,我们可以说“小孩可以穿大人的衣服”,不能说“小孩适合穿大人的衣服”。
必须注意,我们说“牛顿定律只适用于惯性系”时,并非指某个特定的惯性系,而是指所有的惯性系。这就是所谓惯性系的“等价”或“平权”。因此,一个物体对某一惯性系做匀速直线运动,必定对所有的惯性系都做匀速直线运动;当一个物体对某一惯性系做匀加速运动,对所有的惯性系都做匀加速运动。需要注意的是,一个物体虽然对所有的惯性系都做惯性运动,但运动的速度甚至方向,对于不同的惯性系是不同的。从这个意义上说,惯性系又是不等价的。但对于加速运动而言,加速度的大小对所有的惯性系都是相同的。由于牛顿第二定律对所有的惯性系都成立,因此,一个物体的质量与惯性系的选择(即速度)无关。
爱因斯坦似乎只知道惯性系的等价性,而不知道惯性系的不等价性,因此,他认为一束光对一个惯性系的速度为C,对所有的惯性系都C。这是大错特错的。“光速不变原理”的谬误就在这里。由此可见,狭义相对论的基本假设是错误的。
以上便是我对惯性定律、惯性运动、惯性系及相关问题的浅见,如有不当之处,请批评指正。
一、曲线运动不是惯性运动
在讨论惯性运动之前,有必要先弄清“运动”和“惯性”的要义。
什么是“运动”?现代汉语辞典有四种释义。但是,对于我们所讨论的问题来说,应取第一种释义,即“物体位置不断变化的现象。通常指一个物体和其他物体之间相对位置的变化。说某物体运动常是对另一物体而言”。由此可见,运动必须有位移;没有位移不算运动。因此,电扇的逸转,陀螺的原地打转,就整体而言都不是运动,而是静止的特例。
何谓惯性?根据该辞典的释义,为“物体保持自身原有运动状态或静止状态的性质,如行驶的机车刹车后不马上停止前进,静止的物体不受外力作用就不变位置,都是由于惯性的作用”。
那么,什么是惯性运动呢?我认为,惯性运动就是物体不受外力或合外力为零时的运动状态。“惯性运动”和“匀速直线运动”是同义语。
有人认为,惯性运动就是惯性作用(使然)下的运动。这是错误的。因为任何运动都是惯性在起作用,没有惯性作用的运动是不存在的,这一点是毋庸置疑的,因为质量是惯性的量度。试问:有哪种运动可以离开质量?因此,惯性作用下的运动不是惯性运动;惟有单纯由惯性作用下的运动才是惯性运动。据此,子弹出膛后的运动和标枪离手后的飞行都不是惯性运动。
下面,我将证明惯性运动必定是匀速直线运动。
假设物体作曲线运动。在这种情况下,运动的方向必随时间改变,也就是说存在速度的增量。按照牛顿第二定律,一定有外力作用于它。这当然不是惯性运动。所以,惯性运动必定匀速直线运动。证毕。
现在我们分析一下风扇逸转时的受力情况。风扇的逸转,虽然就整个风扇而言是不运动的,但就其局部(如叶片)而言是运动的,因为它有位置的变化。叶片之所以进行圆周运动,除了惯性起作用之外,还有向心力的作用。一旦向心力消失(如叶片突然断裂),叶片就会立刻沿切线方向飞出。如果没有空气阻力和地心引力,叶片就会作匀速直线运动。
需要指出的是,惯性运动在现实生活中是不存在的。因为不论我们把物体的表面做得多么光滑,都无法把摩擦力完全消除,而且也不可能做出一个绝对平的平面;在宇宙空间也不可能找到一个完全没有引力场的区域。所以,现实中的一切运动都是非惯性运动。因此,那种“惯性运动寓于非惯性运动之中,任何非惯性运动都蕴涵着惯性运动”的提法是不正确的。
二、惯性定律的表述没有错
在物理教材中,惯性定律一般是这样表述的:“物体不受外力时,它将保持静止或匀速直线运动状态,直到外力改变运动状态为止。”这种表述反映了惯性运动的本质特征,与牛顿第二定律相一致。我们知道,惯性运动是牛顿第二定律在外力为零时的运动状态。从F=mdv/dt可以推出:当F=O时,V为常数,因此,其运动状态只能是匀速直线运动。因此,这种表述根本不存在所谓“片面性”和“形而上学”的弊端,更没有“误导”之虞。反之,经过“厘正”之后的惯性定律,并没有反映出惯性运动的本质,而且还会起误导的作用。因此,加上“倾向”二字实为弄巧成拙。
当然,惯性定律的现行表述并不是十全十美,无懈可击的。例如,它的“静止”和“匀速直线运动”都是针对特定的参照系而言的。对地面“静止”和“匀速直线运动”,相对于太阳就不是。因此,人们一直想寻找到一种普适的表述。近者而言,有曲元春先生的“惯性定律的新表述”(见本刊2003年第3期)。他所提出的表述为“物体自身保持其所获得的运动速率不变,或/和运动方向不变的性质称为惯性,这种惯性是一切物体都具有的特征。”恕我直言,这种表述不通俗易懂,且读起来拗口。更甚的是,极易引起人们的误解: 以为原地打转的陀螺也是惯性运动。因此,窃以为这种新表述并不可取。
其实,惯性定律已成了几乎家喻户晓、妇孺皆知的常识,根本不会起误导作用。那种学究式的咬文嚼字是没有必要的。而且,我认为无论在文字上表述得多么完美无缺,其真实含义都不会改变,它根本不会改变惯性定律的科学价值,更不会“关系到整个科学的前途和命运”。
三、什么是惯性参照系
笔者认为,所谓惯性系,简单地说,就是对牛顿第一定律成立的参照系。因此,一切作匀速直线运动的参照系都是惯性系。前面已经指出,在实际生活中根本没有惯性运动的物体,因此,真正的惯性系是不存在的。
虽然现实生活中不存在真正的惯性系,但近似的惯性系是有的。地面参照系就是一个近似的惯性系:太阳参照系也是一个近似的惯性系。
应该说,在惯性系的问题上是存在着一些糊涂观念的,而且有的糊涂得十分离谱。一本书名为《湘对论与时空》的书(郑庆璋、崔世治编著,山西科学技术出版社出版)写道:“就质点力学而言,在引力场中自由下落的参考系也是一个惯性系。”。“只有时空范围趋于零的极限情况下,我们才能有精确的惯性系。”这些简直都是胡扯!试问:在一个点上如何建立坐标系?一个加速运动的参考系是惯性系?这种书竟能出版发行,并以“科普读物”向社会推销,真是令人百思莫解。
四、牛顿定律只对惯性系成立
由于惯性系是对牛顿第一定律即惯性定律成立的参照系,故牛顿第一定律只适用于惯性系。
那么,牛顿第二定律是否只对惯性系成立呢?回答是肯定的。因为牛顿第一定律是牛顿第二定律的特例。既然牛顿第一定律只适用于惯性系,牛顿第二定律必然也只适合于惯性系。
道理是这样,实际情况是否也是这样呢?我们知道,牛顿第二定律是这样表述的:“加速度与作用力成正比,与质量成反比。”显然,这种表述只对惯性系成立,而对非惯性系是不成立的。
由此我们得出结论:牛顿第一、第二定律只适用于惯性系。
有一种论调:“牛顿定律不仅适用于惯性系,也适用于非惯性系。”根据是,牛顿第二定律可以解决非惯性系中的运动问题。这种看法是错误的。因为在解决非惯性系的问题时,必须对第二定律加以改造。而且,适用(成立)和可用是两个不同的概念,不能混为一谈。例如,我们可以说“小孩可以穿大人的衣服”,不能说“小孩适合穿大人的衣服”。
必须注意,我们说“牛顿定律只适用于惯性系”时,并非指某个特定的惯性系,而是指所有的惯性系。这就是所谓惯性系的“等价”或“平权”。因此,一个物体对某一惯性系做匀速直线运动,必定对所有的惯性系都做匀速直线运动;当一个物体对某一惯性系做匀加速运动,对所有的惯性系都做匀加速运动。需要注意的是,一个物体虽然对所有的惯性系都做惯性运动,但运动的速度甚至方向,对于不同的惯性系是不同的。从这个意义上说,惯性系又是不等价的。但对于加速运动而言,加速度的大小对所有的惯性系都是相同的。由于牛顿第二定律对所有的惯性系都成立,因此,一个物体的质量与惯性系的选择(即速度)无关。
爱因斯坦似乎只知道惯性系的等价性,而不知道惯性系的不等价性,因此,他认为一束光对一个惯性系的速度为C,对所有的惯性系都C。这是大错特错的。“光速不变原理”的谬误就在这里。由此可见,狭义相对论的基本假设是错误的。
以上便是我对惯性定律、惯性运动、惯性系及相关问题的浅见,如有不当之处,请批评指正。