黄德民详解并重构相对性原理.docx

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黄德民详解并重构相对性原理

黄德民：

详解并重构相对性原理

[黄德民  2006年10月8日，阅读人数662人]

    摘  要：

本文以伽利略的分析为基础，以物质作用论的观点为指导，深入分析、论证了相对性原理的思想内涵，重新解释、阐述了相对性原理的基本内容，澄清了一些常见的错误认识。

    主题词：

相对性原理  物质作用论  解释  重构  推论  

    相对性原理是物理学中一条重要的原理，起源于伽利略的观察与分析，在牛顿理论中得到发展，在相对论中得到进一步扩展。

但纵观物理学书籍，如此重要的一条原理，却一直没有一个严格、准确、统一的说法。

多数人认同相对性原理，少数人坚决反对之，还有部分人深感其在理论解释和实际应用中的混乱。

这种现象，在物理学乃至整个自然科学中都是非常奇特和少见的！

相对性原理是否正确，基本内涵是什么，应如何理解和把握，是本文要解决的问题。

    一、相对性原理的起源

    相对性原理起源于伽利略的思想。

在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书中[1]，他用生动形象的文字，以常见的物理现象为例，深入阐述了他的见解。

他写到：

    把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里，再让你们带几只苍蝇、蝴蝶和其它小飞虫。

舱内放一只大水碗，其中放几条鱼。

然后，挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的宽口罐里。

船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方面飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐子中。

你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向用更多的力，你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相等。

当你仔细地观察这些事情后（虽然当船静止时，事情无疑一定是这样发生的），再使船以任何速度前进，只要运动是均速的，也不忽左忽右地摆动。

你将发现，所有上述现象丝毫没有变化，你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。

即使船运动得相当快，在跳跃时，你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远，虽然你跳到空中时，脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。

你把不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也并不需要用更多的力。

水滴将向先前一样，滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾，虽然水滴在空中时，船已行使了许多柞。

鱼在水中游向水碗前部所用的力，不比游向水碗后部来得大；它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。

最后蝴蝶和苍蝇将继续随便地到处飞行，它们决不会向船尾集中，并不因为它们可能长时间留在空中，脱离了船的运动，为赶上船的运动显出累的样子。

如果点香冒烟，则将看到烟象一朵云一样向上升起，不向任何一边移动。

所有这些一致的现象，其原因在于船的运动是船上一切事物所共有的，也是空气所共有的。

    伽利略之所以要细细列数这些现象，目的就是要论证出这样的结论：

在船舱内，从任何物理现象中都不能分辨出大船是静止还是在运动。

将这种结论推广到一般就是：

静止和（匀速）运动是无法区分的，从任何物理现象中都不可能发现物体的绝对运动速度。

这一思想被后人称为“相对性原理”。

这就是相对性原理的起源。

此后，相对性原理得到进一步发展，内容得到进一步扩充。

到目前为止，相对性原理包含的内容已十分宽广，有些是其基本思想的合理外延，有些则已完全脱离相对性原理原有的基本思想。

    二、相对性原理的现状

    相对性原理发展到如今，已出现多种不同的理解和解释方法，归纳起来，至少包括如下四种：

    任何物理现象都不给引进“绝对运动”的概念提供依据。

无论进行什么样的观察或实验，都不可能发现物体相对于绝对空间的绝对运动速度。

    物理规律适用于任意惯性系。

或者说物理规律在惯性系中是始终相同的。

即惯性系平权。

    物理规律从一个惯性系变换到另一个惯性系时，其数学表达式保持不变（或完全相同）。

又称为“变换不变性”或“协变不变性”。

    物理规律在任意参考系中都具有相同的数学表达形式。

这一思想被称为广义相对性原理。

    除了上述描述上的区别外，在适用范围上也有不同，至少可以划分为四个层次：

    伽利略相对性原理：

适用于力学现象，观察者和被观察对象整体匀速运动；

    牛顿力学相对性原理：

适用于力学规律与惯性系；

    狭义相对性原理：

适用于所有物理规律与惯性系；

    广义相对性原理：

适用于所有物理规律与任意参考系。

    三、对相对性原理的初步考查

    从原始出处入手，沿着伽利略的思路进一步考查，才有可能准确地洞察和把握相对性原理的本质含义。

对伽利略讨论过的大船中的物理现象，我们不妨把思路放开一些，再作一次深入讨论。

当初，伽利略主要讨论的是静止与匀速运动这两种情况下物理现象是否保持一致的问题，该问题可看着是“物理现象在何种情况下保持一致”这一总问题的分支问题。

我们完全可以更加深入、更加全面地设问一下，要保证物理现象始终一致，必须具备什么样的条件呢？

    对物质作用因素的考查。

我们不妨借用伽利略提到的物理现象，就大船运动后的情境自由设想一些不同的物质作用条件。

    假设船不密封，船的运动引起舱内空气流动，小飞虫还能“等速向舱内各方面飞行”吗？

点香形成的烟还能“象一朵云一样向上升起”吗？

    假设碗中的水被人为搅动，形成高速旋涡，鱼儿还能“悠闲地游向”水碗边缘吗？

    假设水滴下落的过程中因障碍物的阻挡改变路线，水滴还能准确地“滴进下面的罐子”吗？

    假设舱内的空气密度加大，粘度增加，人们向同伴扔东西，还象平常一样用力行吗？

    假设地球的引力场发生改变（增大或减小），人们还能“和以前一样在船底板上跳过相同的距离”吗？

    很容易想见，所有一切都将不同！

这说明，物质作用条件是否相同，是物理现象是否相同的重要影响因素，物质作用条件相同是物理现象保持相同的必要条件！

关于这一点，相信人人都明白。

可能正是由于这个原因，伽利略在他的著作中没有展开论述，只是在上述文字后面点到为止写到：

    这正是为什么我说，你应该在甲板下面的缘故；因为如果这实验是在露天进行，就不会跟上船的运动，那样上述现象就会发现或多或少的显著差别。

    对时空因素的考查。

这种影响，其实就是伽利略展开论述的内容。

伽利略用大量无可辩驳的事实告诉人们，大船匀速运动时其上的物理现象和大船静止时其上的物理现象是完全一样的！

实质上，就已经明白无误地告诉人们：

时间、空间对物理现象不产生作用与影响。

因为所谓“运动”就是指时间进程变化的同时空间位置发生变化。

大船匀速运动前后，物理现象保持不变，换成时空语言的说法就是：

时间进程变化时，物理现象保持不变！

空间位置改变时，物理现象也保持不变！

    除了物质作用和可能的时空作用外，物理学不承认有其它任何作用。

鉴于以上分析已明确得出“时空不对物理现象产生作用和影响”的结论，物质作用就成了物理现象变与不变的决定性因素。

至此，我们可以将伽利略的思想完整地概括为：

时空不参与对物理现象的作用。

无论何时何地，只要物质作用条件相同，物理现象必然相同。

正是由于这一思想揭示出物理现象与时空之间没有绝对的、必然的关联性，才被人称为“相对性”原理。

    四、对相对性原理思想本质的深入考查

    除了沿伽利略的思路进行分析总结外，还可以从科学自身具有的特性以及物质作用论的观点进一步论证和阐述相对性原理。

    大家知道，物理学属自然科学，科学最重要的特征是“可重复检验性”。

所谓“重复”，当然是指时间上的重复以及空间上的重复，前提条件则是物质作用条件相同。

如果物质作用条件不同，就不叫“重复”。

只要物质作用条件相同，今天做出的现象，明天依然能做出；你做出的现象，其他人也能做出；这里做出的现象，换个地方照样能做出。

这就是科学的“可重复检验性”。

可以看出，上面分析总结的相对性原理的思想内容与这一特性是完全吻合的，这说明，相对性原理不仅适用于物理学，甚至有可能适用于整个科学至少是自然科学。

这就为相对性原理找到了更为深厚的根基和更加广阔的适用范围。

    《论物理现象的本质——物质作用论挑战相对论》一书第一次在物理学中明确提出了“物质作用论”的观点[2]。

该观点认为：

物质与物质之间的相互作用是一切物理现象的本源，任何物理现象的本质都是物质之间相互作用的结果。

尽管物质的运动变化离不开时间、空间，但时间、空间本身并不对物质产生作用。

因此，对任何物理现象的解释都必须归结到物质之间相互作用的机理上来，离开“物质作用论”的任何其它观点及解释都是错误的，或者说只是临时性的解决办法。

很明显，相对性原理是符合物质作用论的观点的。

这就为相对性原理寻找到了理论来源。

    相对性原理虽然重要，但从提出至今并没有得到过系统论证。

伽利略在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书中的论证，属于相对性原理的启蒙，论证还不完备。

一是，局限于对现象的讨论，尚未深入到物理本质和规律；二是，主要讨论了时空变化（即运动）对物理现象的作用与影响，对物质作用没有展开论述。

三是，只讨论了观察者和被观察对象作为一个系统（下文简称这样的系统为“物体系统”）整体运动的情形，对于观察者与被观察对象之间相对运动的情况论及较少。

或者说，只是从动力学的角度进行了讨论，未从运动学的角度进行考查。

    物理学的使命不仅在于阐述现象，更主要在于揭示规律。

规律是事物现象间内在的、本质的、必然的联系。

物理规律则是对物理现象背后内在的物质作用本质及其作用效果的归纳、总结和提炼。

现象相同，规律必然相同；相反，现象不同，规律仍有可能相同。

同一物理事实，在不同运动状态的观察者看来，现象和规律是否相同，是物理学必须面对和解答的问题，对该问题的回答，现已成为相对性原理的一项重要内容。

这就要求我们对相对性原理还要从运动学的角度作进一步考查。

    大家知道，当观察者未受到物质作用（或受到的物质作用效果为零，下同）时，观察者处于匀速直线运动状态之中。

不同速度的观察者观察同一物理事实，位移、速度等物理现象会有所不同，但运动性质并不改变。

匀速运动的物体仍被观察为匀速运动（或静止状态），变速运动的物体被观察为变速运动。

相反，当观察者受到物质作用且作用效果不为零时，观察者将作变速运动。

此时，匀速运动的物体被观察为变速运动，变速运动的物体则有可能被观察为匀速运动，从而改变了运动的性质。

为什么会这样？

仍然可以从物质作用和时空作用两方面加以考查。

    很明显，上述两类观察者唯一的区别是，一类受到物质作用，另一类未受到物质作用。

说明物质作用虽然发生在观察者身上，却间接地对观察者眼中的物理现象和规律产生了影响。

这种影响可以理解为观察者受到的物质作用间接地“转移”到了被观察对象身上，等效于被观察对象受到了“额外”的物质作用，从而导致观察者眼中物理规律发生变化。

这说明，前面总结的“物质作用决定物理现象和物理规律”的结论仍然成立。

    与前面讨论的物体系统整体运动情况不同，观察者相对于被观察对象运动，观察到的物理现象与静止时相比不完全一样。

这是否体现了时空对物理现象的作用呢？

不是。

因为这种运动是观察者和被观察对象之间的相对运动，即“物体与物体之间”的相对运动，不是物体系统相对于绝对空间的运动。

如果我们仍然把观察者和被观察对象当作一个整体考查，仍会得到时空不参与对物理现象产生作用的结论。

这说明，观察者和被观察对象之间存在相对运动时，观察到的物理现象的变化，反映的是“物质与物质之间”相互运动的联系性而不是物质与绝对空间之间的联系性。

时空不对物理现象产生作用的观点仍然成立。

    综合动力学和运动学的考查结论，将相对论原理概括为如下一般陈述：

    时空不对物理现象产生作用，物质作用决定物理规律。

无论何时何地，只要物质作用条件相同，物理规律必然相同。

    很明显，相对性原理可以看着是物质作用论思想在物理学中的具体体现，可视为物质作用论的一个重要推论。

    五、相对性原理的有关推论

    以上面总结出