黄德民


详解并重构相对性原理[中国挑战相对论网论坛].htm        78k


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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。


(待续)
 

三、对相对性原理的初步考查

四、对相对性原理思想本质的深入考查

五、相对性原理的有关推论

六、澄清几种错误认识

七、结论

参考文献

[1]  伽利略著. 上海外国自然科学哲学著作编译组译 . 关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话 . 上海人民出版社,1974

 

[2]  黄德民著 . 论物理现象的本质——物质作用论挑战相对论 . 陕西科学技术出版社,2001

 

 

 

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