引力神话的根源——解释惯性力学三定律

引力神话的根源——解释惯性力学三定律作者：马英卓

提要

引力神话的根源还是牛顿力学隐含的绝对空间等狭隘的观念、概念及其第一二定律。有两个测量事实与“所有的物体之间都有引力”的结论有矛盾,说明有产生重力场的物体与不产生重力场的物体之区别。以几个经验事实为基础的牛顿力学与广义相对论就决定了它们的适用范围,超出了其适用范围的理论部分就成了垃圾理论。

前言

只知道用所学到的知识思考世界,而不思考我们的知识本身,是不能很好地认识世界的。知识是用一种观念及一系列概念来建构的,我们的科学研究的一个重要方面,就是还要探索这些观念及概念的产生的根源及其它们之间关系的合理性。产生错误认识的许多因素中,除了受到所获得的客观事实的不全面而带来的局限性一面外,还有我们思维的缺陷而带来的因素。我们在研究科学(包括理论研究)过程中,所遇到的许多困难及无意义的研究方向,往往是由于我们思维的缺陷所造成的。完善我们的思维,也是我们科学研究的很重要的方面。目前关于“引力理论”的研究所遇到的所有困难中,很多的因素是由于我们思维的缺陷所造成的。在我发表的文章中(包括本文),许多内容就是在探讨哪些困难是由于我们思维的缺陷所造成的结果。

请读者注意:在看我写的文章的时候(包括本文),我是假定读者已经浏览了我已经在杂志与在网站上发表的所有的文章。而在一些文章里,有些内容有重复的地方,这不是有意的在浪费读者的时间,而一是因为每篇文章的侧重面不同;二是由于要弄清“引力”问题要涉及到哲学(认识论、方法论等方面)、逻辑学、科学史、理论的一些观念、概念及命题、数学公式、现象等等方面,我不得不分头去论述。我会在适当的时候写一篇“精练的有头绪”的文章的。但是,根据认识过程的“规律”,我还是分头写一些文章,会先给读者一个“感性”的认识的。然后,再看我最后的“精练”的文章,会有更深的理解与体会的。

(一)牛顿力学“力概念”的双重涵义

1、直接作用与超距作用的双重涵义(误区1)

人类是从对改造自然界的过程中来认识自然界的,是人类的感觉器官的感觉直接获得外界的“信息”而有“感性”认识的。从原来物理学科的分类角度,就充分地说明了这一点,说物理学是关于“力”、“热”、“声”、“光”、“电”、“磁”的学问,除了电与磁的因素,其力、热、声、光四大因素,恰恰是与人的触觉、听觉、视觉相对应的。而力概念最初是人类的肢体对外在物体的“直接作用”(推、拉、拽、抛等作用)的过程中建立起来的。当把具有感觉性质的“力”外化为客观(理性)的概念性质后,力概念最初的涵义是“物体对物体的‘直接’作用”。但是,在今天的教科书里,说“力”概念时,已经把“直接”作用性取消了,变成了“力是物体对物体的作用”的定义了。也就是说,还有“超距”作用情况也包含在内了。其概念的内涵被无意地扩大了。然而,今天的绝大多数的人在运用“力”概念时,都还有回归到“直接作用”性上的理解才感到“塌实”的心理趋向。所以,就引起了一个要把一切“超距作用”回归到“直接作用”性(接触力,也是作用方式力)上的研究意向。此意向的研究“假说”在过去与今天,随处可见。比如,到今天,还有人在假设什么“微粒子”(有各种各样的名称)或什么连续媒质(什么以太等不同的名称)变为“直接作用性”来解释“引力”的“超距作用”,在“场”的概念出现后,也出现了把引力场变为弥漫在场空间里无数的无形的飞来飞去“微粒子”或是无形的连续媒质对物体的直接作用的解释。此类的解释性的“假说”的实质就是此“意向”的产物。这是一个无形的“陷阱”,是一个误区。是在无形地无情地消耗浪费无数人的才华和精力。

实际上,所谓的“超距作用”力概括来说(仅指宏观现象范围),就是引力、电场力、磁场力这三类力(非接触力)。我对“引力”与“引力场”已经在我的惯性力学三定律里已经取消了超距作用性的解释。有了实实在在的解释。而对电场力与磁场力,可以借鉴我对引力(或引力场)的解释(属性力的解释)。在具体一起运用惯性力学三定律与电场、磁场有关的数学公式时,是把它们的强度加在一起来计算合理还是分别转化作为“外力”角度来计算合理,我在此方面没有深入地研究。这是惯性力学的基本命题与电磁性力学的基本命题合理衔接的问题。

本节结论:

所以,如果避免理论思维的混乱,就应该把“力是物体对物体的‘直接’作用”涵义当作力概念的唯一的定义。 2、力是作用与力是物体加速运动的原因的双重涵义(误区2)

实际上,牛顿力学力概念有“力是物体对物体的直接作用”与“力是物体加速运动的原因”这双重涵义。我在我以前的名为《惯性力学与整体科学体系》的文章里,我提到过“力概念”的双重涵义所造成的理论思维的混乱,但没有详细地论述,在此我进一步地说明一下。

此双重涵义,实质上是作用与作用的原因的区别。古代人认为力是使物体运动的原因。而后来伽里略又准确地把力定义为时,实质是在客观(理性)的角度来定义的。

当初牛顿为什么会认为“自由落体运动(加速运动)与行星公转的向心加速度”有“力”正在作用之呢?把此种“力”称为“引力”。当然是由于“力是使物体加速运动的原因”的观念了。

问题的关键:是不是所有物体(仅指宏观物体)的加速运动的原因都归于“力”(外在的作用)。力是使物体加速运动的原因是一码事;物体加速运动的原因是否都是由于力的原因,是另一码事。然而,如今的人们把此两码事当作是一码事的观念是根深蒂固的。引力错误概念的根源就在于此。

当我提出了惯性力学三定律后,“力是物体加速运动的原因”的结论是有条件的结论了,也就是说:只有在牛顿绝对空间里,此结论才成立。也可以说:在重力场里,“力是物体静止或匀速直线运动的原因”了。而自由落体的加速运动的原因是由于物体的“广义惯性”及重力场的属性,不是由于“力”。牛顿之所以用虚构的“引力”来解释,是因为当时还没有重力“场”的概念。反过来,在牛顿绝对空间里,物体的惯性运动状态是静止或直线运动状态;在重力场里,物体惯性运动状态是除了静止或平动运动状态以外的其它某些运动状态。

牛顿第一二定律是仅适用于牛顿绝对空间的定律;伽里略自由落体定律与阿基米德浮力定律是仅适用于局部重力场空间的定律;牛顿的“引力”定律是适用于大范围整体重力场空间的定律;牛顿第一二定律、伽里略自由落体定律与阿基米德浮力定律、牛顿的“引力”定律是在我的惯性力学三定律的分别特殊条件下成立的定律,是其推论。牛顿“引力”定律的合理实质是重力场强度的平方反比率。 3、关于惯性质量与引力质量(误区3)

在引力神话没有“破灭”之前,才会有人把所谓的惯性质量与引力质量相等当作了“等效原理”(所谓的弱等效原理)本身。实质还是认为有“引力”而产生的结论。当我总结出了惯性力学三定律后,就没有了什么惯性质量与引力质量之分了。我打一个比方:一个演员在某一个剧场演一个“坏人”,又在另一个剧场演一个“好人”,我们能说一个坏人与一个好人相等吗。而是说“一个”人由于其演员的“性质”在不同的场合可以表现坏人在另一个场合又可以表现一个好人。也就是说,应该这样认为:一个物体的同一质量由于其同一广义惯性在绝对空间里表现为“惯性质量”(牛顿惯性),在重力场空间里表现为“重性质量”。实际上,以后没有必要再分为两种“质量”了,都统一为“广义惯性”质量了。而“广义惯性力”的定义是:“物体对其合外力(合外力不为零)的反作用力。”(见我的惯性力学三定律中的“广义惯性力定律”。)在此定义中已经取消了“引力与外力性质的牛顿惯性力”了。如果承认“引力与外力性质的牛顿惯性力”存在,此定义就不成立。 4、主动作用与被动作用(误区4)

物体的广义惯性对立统一性,在我的前面的文章里提到过,但我没有强调,在此我特别强调一下。

1、力作用的主动性与被动性是相对的。当我们用手“推”一个物体时(合外力不为零时),我们会说此物体有被动性(惯性),但是,这是针对物体而言的。当我们针对我们的“手”而言,为什么不可以说物体主动作用(由于惯性属性)于我们的手呢。

2、物体处在广义惯性运动状态时(失重状态时),有被动性;物体处在非广义惯性运动状态时(有重状态时),有能动性(主动性。去掉了“引力”的理解。)。举一例:以地球重力场的角度,当我们手拿着一个铅球时,此铅球(物体)就有能动性,它有挣脱你的手(外力)而要下落的趋向。当你松开你的手时,此铅球就开始了自由落体运动。此铅球在没有到达地面之前,是处在广义惯性运动状态,是没有外力作用之(或合外力为零),又具有了被动性。

目前教科书上解此类习题,是把手拿着铅球时,当作合外力(把重力也当作了外力)为零;而此铅球正在做自由落体运动时,当作合外力不为零。实质上,恰恰相反(可用我的惯性力学三定律来解)。

5、属性的原因变为外力原因(误区5) 那么为什么静止在地面上的物体或我们每个人在拿一个物体时,还认为是有外力在作用此“重物”呢?这可是牛顿以后的人们的认识了,因为,先有了“引力”的解释。实际上,如果一个人没有学过牛顿力学,他就会像牛顿以前的人们一样,认为是由于物体有“重”的性质,才有“重”的感觉。此时的“重力”是物体作用在“手”上的。当牛顿“发现”了“引力”后,“重力”才转化为“外力”的认识。于是,成了外力性质的“重力”作用在物体上,然后,又通过物体再作用在手上的认识。如此的认识的“转化”,就成了一个“思维”定势(固定的观念)。由于教育的普及,今天的人在他降生在这个世界上几年后,就会知道他手里拿的“物体”有“重”的感觉或松开手后其物体就会自由下落的现象是由于“地心引力”的原因。(实际上,当物体在重力场里,自由落体运动是广义惯性运动状态;而静止在地面上时的运动状态是非广义惯性运动状态。但是,在经典力学里,是没有此区分的,认为都是有“引力”正在作用之。是糊涂认识。)实际上,人们在手拿着“重物”时,是这样理解的:就像有一个“橡皮筋”正在“拽”着此“重物”(无论是拿着还是松开手此物自由落下)。如此的思维定势,已经深深地固定在牛顿以后至今的人们的头脑中了。当我说到此时,我也深深地感到不安,人们是不会容易改变此思维定势的。真是“撼山易,憾传统观念难”。(如果我用我的惯性力学三定律教没有学过牛顿力学的中学生,可以说,仅用一个星期时间就可以教会,为什么?因为他们还没有牛顿力学的思维定势。)就是爱因斯坦,也没有“敢”改变它,也只不过“喃喃地”说了句“物体的同一性质按照不同的处境或表现为‘惯性’,或表现为‘重性’。”此后,爱因斯坦就转入了“弯曲空间”方面去了,特别是“光”的方面去了。实际上,当我明确地提出了惯性力学三定律后,此爱因斯坦的话应该是这样说:“物体的同一性质(广义惯性)按照不同的处境(绝对空间或重力场空间)或表现为‘惯性’(牛顿惯性),或表现为‘重性’。”

但是,之所以说爱因斯坦是伟大的“天才”,就是因为在“司空见惯”的现象中看到了不寻常的地方——爱因斯坦在1907年在伯尔尼专利局工作时,就注意到了一个现象:一个人在自由下落时,感觉不到自己的重量(失重。这是伟大的科学发现,虽然所有的人都知道这一点。所谓的科学发现不在于谁知道,而是在于谁认识到某现象在科学上的价值和意义。),这是爱因斯坦建立广义相对论最初的动因。而牛顿第二定律中的“加速度”的物体是“有重”(惯性力)的。出矛盾了!于是,我们的科学界也会“变戏法”,干脆把牛顿第二定律的含义再改变一下吧——在“绝对空间里”,如果出现了物体对外力的反作用力,那么干脆就把“惯性力”也变为“外力性质”的“力”吧。就像把“重力”变为外力性质的“引力”一样。“一波未平,一波又起”,此外力性质的“惯性力”又成了“没有来源的力”了。因为“引力是有来源的力(地心质量来源)”。紧接着,在“绝对空间”里的加速系里的“自由加速运动的物体”也被认为是有一个“惯性力”在作用之,但是,此没有来源的力,不好说,只得说什么“虚构力”了(实质是在“重复”运用牛顿第二定律。)。于是,此外力性质的“惯性力”的来源问题(连中学生也会常常提出此让老师难堪的问题)就成为一个永远也解不开的谜。{又引得许多人来假设什么存在真空中有一种“连续媒质”作为阻力来解释(代替)其外在性质的惯性力。在科学领域,由错误的前提产生的“迷”太多了,浪费了多少的仁人志士的精力!比如什么“双生子佯谬”、黑洞等等。}如果读者对我提出的“惯性力学三定律”有了一定的了解(我并不奢望理解),应该觉得此“迷”有了答案。在我这里,牛顿惯性力与重力都不是外力性质的“力”了,而是物体本身由于其“广义惯性”的原因,是物体本身作用与合外力的“力”了。

当初牛顿提到“引力”的解释的时候,已经意味着一个结论:所有的“物体”(质量)之间都有引力。这实在是一个似是而非的结论。当初牛顿说自己在此方面的成就仅是发现了“自由落体现象与行星公转现象”是属于同一个性质(严格说来,此发现的证实,在“航天器进入太阳系空间里时”才算真正地实现了。)这是一码事;而此同一个性质到底是什么?又是一码事,也就是说,把此同一个性质归于“引力”是另一码事,这是我们认识的分水岭。也就是说,此同一个性质还可能有另外的解释的“余地"。此另外解释的“余地”,就是爱因斯坦的重新回到“重性”的解释。当爱因斯坦发现了物体的“重性”与牛顿惯性是同一属性的时候,已经意味着牛顿力学的基础被动摇了,牛顿力学面临着“重组”(观念、核心基本概念与命题及其它们的关系的重新调整)的境域。当物体的牛顿惯性与重性统一后,要分出在什么情况下表现为牛顿惯性或表现为“重性”,就出现了新的问题——出现了牛顿力学里没有的物体的不同的外部空间的新情况。要不是爱因斯坦在空间(场概念的出现)问题上出现了长期的“困惑”,及引入了“光”因素而走了弯路,此“重组”的问题早就解决了。当我总结出了“惯性力学三定律”后,应该算是解决了“重组”的基础前提问题。现在看来,当初牛顿正是由于没有不同“空间”(场概念)的意识,而是用“虚构”的“引力”来弥补他的理论系统的“缺口”的。遗憾的是,当初牛顿自己都怀疑的“引力”解释,到如今,已经成为根深蒂固的思维定势了,上至物理学诺贝尔奖得主下到学龄前儿童,当看到“苹果落地时”都是在用一个“虚假”的原因来解释:由于地心引力。

(二)相对论的实质

二十世纪初以来的所谓的理论物理学两大“板块”——相对论与量子力学,是适应了人类向宇观与微观认识扩展的背景而产生的新的理论。量子力学是一科在思维方法与观念相对独立与独特的“纯”关于微观的学科。所以,我在此把它拿出来放在一边,不涉及它。而相对论是分为狭义相对论与广义相对论的。相对论所对应的现象范围与牛顿力学基本上是一样的。所以,相对论应该是牛顿力学(经典力学)进化与扩展方面的理论。关于相对论的看法已经在我以前的文章里零散地议论了,我在此不多说了,在此仅进行对我以前的看法进行归纳和总结一下。 1、狭义相对论的实质

狭义相对论的实质仅是以某种物理信号的传播的速度与信号源的运动速度无关的性质,{像水表面波、声波、与光(电磁波)等为载体的信号都有这种性质。}在信号接受器与信号源相对运动的情况下,其信号接受器所接收到的信号时间间隔出现了变化的结果。但是,目前人们的理解把它的涵义扩大了。以为客观的时间真的可以变化。什么人在接近光速的情况下,其寿命(客观时间)可以延长的理解是错误的。狭义相对论与牛顿力学的关系,仅是把牛顿力学的纯运动学的内容方面增加了一个新的内容,是有“测量”意义的相对独立的小理论。不能把狭义相对论当作独立于牛顿力学之外的或把牛顿力学当作是其“低速”情况下的理论。

2、广义相对论的实质

有人说广义相对论的实质是关于“空间、时间与引力”的理论,是有一定的道理的。那是因为确实把空间(场)问题作为力学里的一个新的基本概念及新的前提而提出来了。也就是说,在牛顿力学里引进了一个新的基本概念及新的前提。从而,牛顿力学的基础需要重新调整了。我认为我所总结的惯性力学三定律就是重新调整的结果。广义相对论是惯性力学三定律之前的过渡阶段的不完善的理论。在惯性力学三定律中的运动定律里,P外为零的情况下,就是意味着是物体的外部空间是牛顿的绝对空间;P外的不为零的情况下,就是意味着是物体的外部空间是重力场空间。当我总结出了惯性力学三定律后,以前由于广义相对论的过渡性质的不完善性而造成的许多理论思维的混乱及理论的混乱,就应该结束了。 3、空间前提与判断空间的区分

在惯性力学三定律里,牛顿绝对空间与重力场空间是理论的前提是一码事;而怎样了解、判断与区分它们又是一码事。广义相对论在此问题上是模糊不清的。物体的“短程线”运动,(在广义相对论里,用“光”的短程线运动来说明)就是物体的“广义惯性运动”。当物体的短程线运动是匀速直线运动时,就可以判断物体的外部空间是牛顿绝对空间;当物体的短程线运动是非匀速直线运动时,就可以判断物体的外部空间是重力场空间及了解重力场空间的结构。

广义相对论用短程线运动来定义重力场(引力场或弯曲时空),同时又用弯曲时空来解释引力,又用弯曲时空的曲率的无穷小来定义牛顿绝对空间。实质是判断性质的思维方法。把此方法又当作了理论的前提,就造成了理论思维的混乱。当然,也是爱因斯坦糊涂,是在没有认识到短程线运动本身就已经解释了引力涵义的情况下,糊涂地说什么弯曲时空“造成”了引力(逻辑循环错误)。真是一笔糊涂账。以至于他以后的科学界就有了一个定论:广义相对论是把引力归于几何性质的理论。广义相对论的又一笔糊涂账是牛顿绝对空间与“欧氏几何”及直角坐标系对应,弯曲时空与黎曼几何及曲线坐标对应。把什么参考系、真实的背景空间、坐标系、运动的空间(四维时空)、场的属性(物理意义的空间)等等胡乱地混在(排列组合)一起,造成了理论思维的极度的混乱,如此混乱的结果在今天的有关的书及论文里到处可见,实在是悲哀。

当许多的理论物理人士被广义相对论的混乱不堪的状况折磨得不成样子以后,就企图用量子力学来解决“引力”问题。但是,爱因斯坦已经在他的名为《相对论的意义》一书的最后就告诫想用量子力学解决引力问题的一些人:“……但是无人知道怎样获得这种理论的基础”。也就是说,没有引力与微观量子有关的经验事实基础,此企图是行不通的。

4、关于熵空间

牛顿绝对空间与熵空间及有