絕對(duì)空間理論的發(fā)展　由物理網(wǎng)資料整理

慣性系在哪里，或者什么樣的參考系是慣性系?深入地研究發(fā)現(xiàn)，這在理論上和實(shí)踐上都存在根本的困難。首先，要問什么是慣性系，回答是慣性系就是慣性定律成立的參考系，那就是說，在這個(gè)參考系中一個(gè)不受外力作用的物體總是處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。那么不受外力作用又是什么意思呢?這就是說，在慣性系中處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物體是不受外力作用的。這樣就又回到什么是慣性系的問題。這是一具邏輯循環(huán)，無助于解決什么樣的參考系是慣性系的問題。其次，在實(shí)踐中地球是一個(gè)相當(dāng)好的近似的慣性系，我們?cè)谟^察實(shí)驗(yàn)室中的許多力學(xué)現(xiàn)象，都可以把地球看作慣性生活費(fèi)，但是地球肖自轉(zhuǎn)，并且繞著太陽在旋轉(zhuǎn)，有一些力學(xué)現(xiàn)象顯示出地球的這種轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)，例如慣性離心力，科利奧萊力等，因此地球并不是嚴(yán)格的慣性系。太陽及其鄰近的恒星組成的參考系是比地球更好的慣性系。進(jìn)一步的研究表明太陽是銀河系中的一顆普通恒星，它同其他銀河系聽恒星一起繞銀心旋轉(zhuǎn)，作變速運(yùn)動(dòng)，因而太陽參考系也不是嚴(yán)格的慣性系。根據(jù)這種經(jīng)驗(yàn)，我們可以取更大的天體系統(tǒng)的平均靜止參考系以趨近嚴(yán)格的慣性系。看來我們可以不斷地趨近慣性系，但卻不能找到嚴(yán)格的慣性系。?

這樣，我們有了支配物體運(yùn)動(dòng)的力學(xué)規(guī)律(牛頓定律)但是卻無法確定牛頓定律成立的慣性系。牛頓的力學(xué)理論如同建立在沙灘上的建筑物。牛頓深知他的力學(xué)理論中的這一脆弱的根基。他提出的解決辦法是引入絕對(duì)空間。他想信存在絕對(duì)空間，“絕對(duì)空間，就其本性而言，是與外界任何事物無關(guān)而永遠(yuǎn)是相同的和不動(dòng)的”，這樣就可以在絕對(duì)空間里區(qū)別物體是處于靜止、勻速運(yùn)動(dòng)還是變速運(yùn)動(dòng)，從而也就能夠確定慣性系和非慣性系。為了說明絕對(duì)空間和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的存在，他提出一個(gè)著名的“水桶實(shí)驗(yàn)”，其大意如下。一個(gè)盛有一半水的桶掛在擰得很緊的繩子上，松開手后，桶和水的運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷以下三種情形：(1)開始，桶在繩恢復(fù)原有狀態(tài)的作用下快速旋轉(zhuǎn)，由于水和桶的粘滯力很小，水尚未旋轉(zhuǎn)起來，水面是平的;(2)在粘滯力長(zhǎng)時(shí)間的作用下，水和桶一起旋轉(zhuǎn)，水受到慣性離心力的作用向桶壁擠壓，水面呈下凹形;(3)讓桶突然靜止，水仍在旋轉(zhuǎn)，水面仍然是下凹。牛頓分析以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，在(1)(3)兩種情形，水對(duì)于桶都有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但前者水面是平的，而后者是下凹的，在(2)(3)兩種情形，無論水對(duì)于桶是否有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，水面都是下凹的，因此，水對(duì)于桶的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不是水面下凹的原因，水面下凹的真正原因在于水在空間里作絕對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，受到慣性離心力造成的。這說明存在著可以觀察出物體作絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)空間，加速度是絕對(duì)的。?

牛頓的絕對(duì)空間和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)繼承了人們自古以來認(rèn)為空間和時(shí)間物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)相對(duì)獨(dú)立而無論的直覺，被大多數(shù)人所接受，它還受到哲學(xué)家康德的支持，康德說過;“我們永遠(yuǎn)不能表象出沒有空間，可是我們卻很能設(shè)想空間中沒有對(duì)象。”但是牛頓的絕對(duì)空間和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)受到他同時(shí)代人的批評(píng)，其中著名的有萊布尼茲和貝克萊，萊布尼茲認(rèn)為那種與物質(zhì)客體相分離的任何空間概念都是哲學(xué)上沒有必要的，貝克萊則指出，認(rèn)為空間是“一種永久的、自存的、無限的、不可分的、不可變的東西”“是有害的、荒謬的”，然而他們都未能提出任何觀念，發(fā)展一種新的動(dòng)力學(xué)理論來替代牛頓理論，不過他們的看起來十分挑剔的批評(píng)對(duì)后有著潛在的影響。?

對(duì)牛頓絕對(duì)空間的第一個(gè)建設(shè)性批評(píng)來自兩百年后奧地利的物理學(xué)家和哲學(xué)家馬赫。馬赫在他1883年出版的《力學(xué)史評(píng)》一書中對(duì)牛頓的絕對(duì)空間和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)作了深刻的批評(píng)。

關(guān)于牛頓的“水桶實(shí)驗(yàn)”，書中寫道：“牛頓的旋轉(zhuǎn)水桶實(shí)驗(yàn)只是告訴我們，水對(duì)于桶壁的相對(duì)旋轉(zhuǎn)不引起顯著的離心力，而這離心力是由水對(duì)地球及其他天體質(zhì)量的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的。如果桶壁愈來愈厚，愈來愈重，直到厚達(dá)幾英里時(shí)，那就沒有人能說這實(shí)驗(yàn)會(huì)得出什么樣的結(jié)果。”“如果把水桶固定，讓眾恒星旋轉(zhuǎn)，能夠再次證明離心力會(huì)不會(huì)存在嗎?”在馬赫看來，牛頓水桶實(shí)驗(yàn)中凹行為并不能區(qū)分究竟是水相對(duì)絕對(duì)空間的轉(zhuǎn)動(dòng)，還是水相對(duì)于眾星體的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，并不能由此得出存在絕對(duì)空間的結(jié)論，相反地，把水面下凹行為看成是由于水相對(duì)于從星體轉(zhuǎn)動(dòng)，水桶內(nèi)壁以外的所質(zhì)量的吸引和帶動(dòng)所造成的，要更自然些。?

馬赫是出于他關(guān)于我們的世界的一種非常兒到的哲學(xué)見解，對(duì)牛頓的絕對(duì)空間作出深刻批判的。他在書中寫到;“我們不要忘記，世界上的一切事物都是相互聯(lián)系、相互依賴的。”要注意，馬赫強(qiáng)調(diào)的是相互聯(lián)系、相互依賴、相互影響，那種只有一方依賴于一方而不被另一方所依賴，一方可影響另一方而不被另一方所影響的事物是不存在的，是虛構(gòu)的，也是“同科學(xué)中的思維方式相矛盾的”(愛因斯坦語)。在牛頓力學(xué)中絕對(duì)空間就是這樣的虛構(gòu)，它會(huì)影響到物體的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，譬如，只有相對(duì)經(jīng)來說，慣性定律才成立，但是物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)反過來卻不能對(duì)絕對(duì)空間產(chǎn)生絲毫影響。既然是一種不能被人們的經(jīng)驗(yàn)所證實(shí)的虛構(gòu)，它就應(yīng)該從科學(xué)中剔除出去。概括起來，馬赫的觀點(diǎn)是，物體的運(yùn)動(dòng)不是絕對(duì)空間中的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，而是相對(duì)于宇宙中其他物質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而不僅速度是相對(duì)的，加速度也是相對(duì)的;在非慣性系中物體所受的慣性力不是“虛擬的”，而是一種引力的表現(xiàn)，是宇宙中其他物質(zhì)對(duì)該物體的總作用;物體的慣性不是物體自身的屬性，而是宇宙中其他物質(zhì)作用的結(jié)果。馬赫的精辟見解被愛因斯坦取名為馬赫原理。?

馬赫的批判帶來了人們對(duì)于運(yùn)動(dòng)和慣性認(rèn)識(shí)的重大變革。牛頓認(rèn)為存在著絕對(duì)空間和絕對(duì)運(yùn)動(dòng);物體的慣性是它自身的屬性，如果撤掉了一個(gè)物體周圍的所有其他物質(zhì)，那么這個(gè)物體將由于它自身的慣性作慣性運(yùn)動(dòng)。而馬赫則認(rèn)為，根本不存在絕對(duì)空間和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，物體的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)于宇宙中天體的運(yùn)動(dòng);物體的慣性是宇宙中所有天體作用的結(jié)果，撤掉一個(gè)物體周圍的所有其他物質(zhì)，則無法去判斷它作什么運(yùn)動(dòng)，因而它也就不再具有慣性。?

馬赫獨(dú)樹一幟的思想深刻地提示了牛頓力學(xué)理論根基上的紕漏，同時(shí)也指出了改造牛頓力學(xué)理論的契機(jī)，這就是放棄絕對(duì)空間和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，把物體的慣性與宇宙中所有其他物質(zhì)對(duì)它的作用聯(lián)系起來。?

愛因斯坦建立狹義相對(duì)論后就認(rèn)識(shí)到“狹義相對(duì)論不過是必然發(fā)展過程的第一步”，他時(shí)而思考狹義相對(duì)論的不足。一方面，狹義相對(duì)論指出，所有的慣性系都是等價(jià)的，速度是相對(duì)的，不存在絕對(duì)靜止的慣性系，因此狹義相對(duì)論否定了一個(gè)優(yōu)越的參考系(絕對(duì)靜止的慣性系);但是它卻肯定了一類特別優(yōu)越的參考系，那就是慣性生活費(fèi)，它比非慣性系更要優(yōu)越，其中的物理規(guī)律特別簡(jiǎn)捷。然而對(duì)于為什么慣性系在物理上比其他參考系更優(yōu)越，狹義相對(duì)論不能作出回答。另一方面，狹認(rèn)相對(duì)論指出，物理作用傳播的極限速度是光速c，這樣狹義相對(duì)論就在整個(gè)物理學(xué)中排除了超距作用。引力是力學(xué)研究的重要課題。然而牛頓引力定律的表述是超距作用的，牛頓引力定律與狹義相對(duì)論不相容。因此需要發(fā)展一種把引力問題納入，且能回答是否存在特別優(yōu)越參考系的更為廣泛的相對(duì)論。馬赫的思想對(duì)于愛因斯坦無疑是一個(gè)重要的啟發(fā)。愛因斯坦曾說過：“可以十分正確地認(rèn)為馬赫是廣義相對(duì)論的先驅(qū)。”

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