物理科学探疑-网友天空-系统观点-董银立-关于牛顿“绝对空间”概念的反思
关于牛顿“绝对空间”概念的反思
董银立
摘 要：因为绝对合外力是无意义的，所以绝对加速度是无意义的，所以牛顿在经典力学中引入绝对静止系（绝对空间）是多余的。
地球上运动物体的加速度就是相对地球的。所以惯性导航系统测量出的加速度值是相对地球的而非相对绝对静止系的，惯性导航系统测量出的地球的加速度永远是零，但地球相对其他星球的加速度并不是零。
因为不存在绝对静止系，所以地球上的光（电磁波）的速度就不可能是相对绝对静止系的。与惯性导航系统测量出的地球的加速度为零一样。麦克而巡莫雷实验和特鲁顿实验同样无法测量出地球的速度，我们不必为麦克而巡莫雷实验和特鲁顿实验的零结果感到可怕。因为地球上的麦克而巡莫雷实验和特鲁顿实验只能用来测量运动体系相对地球的速度。
关键词：绝对静止系、绝对加速度、绝对速度、无意义、多余的。
第一节：绝对空间带来的矛盾
绝对空间概念是牛顿运动定律和经典电磁理论中非常重要的基本概念。因为经典理论认为：1、牛顿运动定律只有在惯性系中才适用；2、牛顿运动定律中的加速度是绝对的，是相对（经典理论所定义的绝对）惯性系的；3、经典理论还认为光波的传播速度是C，该速度值是相对绝对空间的。那么经典物理所定义的惯性系是什么呢？
经典惯性系的定义：绝对空间（绝对静止系）以及相对绝对空间匀速运动参照系就是惯性系。但经典物理的上述观点面临着两个重大矛盾。
第一个矛盾是力学方面的矛盾：
可见，绝对空间对于经典物理来说是很重要的，牛顿当然知道这些，于是为绝对空间的存在提出了两个证据，即“牛顿水桶实验”和“双小球实验”。
在“牛顿水桶实验”中牛顿认为：旋转的水面是凹的，是因为旋转的水是在相对绝对空间做加速运动，即水相对绝对空间或惯性系具有向心加速度，因此水面是凹的，而只水桶旋转时水面是平的，是因为水相对于绝对空间或惯性系的加速度是零。
在“双小球实验”中牛顿认为：两个小球用绳子连接，通过测量该绳子的张力的大小就可以判断小球加速度的方向和大小。
首先对“牛顿水桶实验”提出批评的马赫，马赫认为水面呈现凹面是水相对于地球及无数遥远天体旋转的结果。我们认为牛顿及马赫的解释都不正确，正确的解释为，水只要相对地球（或者说是相对地球重力场）旋转时，水面就呈现凹面。解释如下：
图：
我们可把“牛顿水桶实验”简化为加速运动的水杯中的水的水面将不再水平，而变的一边高一边低。我们的解释是，水杯只要相对地面或地球重力场做加速运动，水面将一边高一边低，即如果我们在四周有刻度的水杯中加入水，我们把该水杯固定在地面上或地球重力场中，那么水面四周所对应的刻度将永世不会改变，虽然我们知道地球本身也在做加速运动，而且6点钟时地球的加速度向东，大小为0.006米/秒平方(相对太阳)，18点钟时的加速度向西，大小为0.006米/秒平方(相对太阳)，“0.006”这个数字相对于具有高超实验水平、精确测量工具的人类来说，是一个非常巨大的数字，但是无论何时何地该水杯中的水将纹丝不动，即使太阳的质量突然增大一亿倍，地球或水杯的加速度也突然增大一亿倍，但该水杯中的水仍将纹丝不动。
再如：我们装在导弹或汽车上的惯性导航系统可以精确（其精度要比地球相对于太阳的加速度小的多）地记录下导弹或汽车每时每刻的加速度，但我们装在地球上的该系统却永世不能测出地球相对于其他天体的加速度。
由此可见，旋转的水面呈现凹面只能证明地球的存在；自转的地球变扁只能证明太阳的存在。它们都不能证明绝对空间的存在。“双小球实验”同样无法证明小球的加速度是相对绝对空间的，我们假设两小球的质量相等且都为1千克，让两小球围绕绳子的中点转动，当绳子的张力是一牛顿时，两小球相对绝对空间的加速度值是1米每秒平方吗？回答是否定的，因为这时（早晨6点，绳子方向正东正西时），一个小球相对太阳的加速度值是1+0.006，另一个小球相对太阳的加速度值是1-0.006。但小球相对绝对空间的加速度是多少呢？永远无法知道，无法知道并不是不可知论，是因为绝对空间是不存在的，正如我们永远无法知道鬼是什么一样。与牛顿所期待的结果正好相反，通过测量绳子的张力和利用牛顿运动定律（a=F/m），我们得出的加速度值恰恰是相对地球的！经典物理却认为地球不是惯性系？！
这些现象一点也不奇怪，原因也十分简单，即实物的引力质量等于其惯性质量。即头发相对于太阳的加速度完全是由太阳对头发的引力提供的，而非头皮对头发的拉力。也就是说地球是一个惯性系（这于经典物理的观点不一致）。
第二个矛盾是光学方面的矛盾：
伽利略相对性原理告诉我们，通过惯性系内的任何力学实验无法测量出该惯性系的速度（相对绝对静止系）。但经典理论认为光波的传播速度是C，该速度值是相对绝对空间的。这就意味着可以通过惯性系内的光学实验来测量该惯性系的速度。人类作了实验：地球是运动的，所以地球上不同方向上的光速是不同的，通过测量地球上不同方向上光速的差距就可以测量出地球相对绝对空间的速度！但是利用该原理设计的麦克而逊——莫雷实验的测量结果却令人吃惊，地球的速度是零！该矛盾直接导致了相对论的产生。
第二节：矛盾的解决
我们是通过否定绝对合外力来解决这个困难的，内容如下：
我们认为新的运动定律应为：a=F/m，它与牛顿运动定律在数学形式上是相同的，但我们规定：
第一、所研究物体受的合外力F是不考虑除了该物体所在星球对它的万有引力（即重力）之外所有其他星球对它的万有引力的，即该合外力F是相对于所在的星球这个参照系的。
第二、所研究物体的加速度是相对于所在的星球的而非相对于所谓的绝对空间的。
第三、新运动定律成立的参照系为新惯性系。
牛顿运动定律的错误就在于他没有考虑其他星球对他所研究的物体的万有引力，却认为该物体的加速度不是相对地球的，而是相对于所谓的绝对空间或经典惯性系的。
牛顿没有考虑其他星球万有引力的证据如下：
1、牛顿运动定律从来没有提到过太阳引力的影响；
2、经典力学受力分析时除了考虑重力外，根本不考虑其他万有引力；
3、牛顿是先发现三大运动定律，十多年后才发现万有引力的，即牛顿在研究运动定律时，根本不知道到太阳对他所研究的物体存在引力作用，更不知道该引力的大小是多少（当时也不知道重力就是万有引力产生的）。
事实上，在人们知道宇宙中共有多少个天体，以及它们的质量、离地球的距离之前，我们根本无法知道我们所研究的物体受到的绝对合外力，既然不存在绝对合外力，又怎能存在绝对加速度（即经典物理所谓的相对于绝对空间或惯性系的加速度）呢？
我们的教科书教导我们说，“在对物体进行受力分析时，不能漏掉物体所受到的实际存在的力，也不能凭空想象出实际不存在的力。”但事实上，这两点经典物理一个也没有做到，首先牛顿运动定律没有考虑物体所实际受到的太阳以及其他星球的万有引力；其次牛顿运动定律在研究物体运动时考虑到了重力，然而重力是万有引力与地球自转离心力的合力，而离心力是惯性力，经典物理认为惯性力是一种假象力，是一种“虚力”，可见，重力（实力与虚力的合力）是凭空形象出来的！
由于经典物理没有考虑其他星球的引力，事实上就是假设空间是不存在引力场的绝对真空，所以我们根本不必考虑地球相对太阳的公转；由于我们受力分析时使用的是的是重力，而重力并非真正的万有引力，它是万有引力与惯性力的合力，所以我们根本不用考虑地球相对太阳的自转，就可以大声宣布，地球是一个惯性系。
从以上观点我们可以得出以下三个相对性原理：
第一个相对性原理（实质上就是伽利略相对性原理）是宏观方面的，即在相对地球或地球重力场静止或匀速运动的参照系（即新惯性系）中，运动定律都有相同的数学形式： a=F/m 。
第二个相对性原理是宇观方面的！即在任何一个星球上，运动定律都具有相同的数学形式：a=F/m 。即任何一个星球都是一个绝对精确的惯性系，而于该星球的运动状态无关。
第三个相对性原理，任何星球上的光电实验都有相同的结果，任何星球上都有相同的光速。而与该星球的运动无关。
第一个相对性原理即伽利略相对性原理是直接建立在“空间是不存在引力场的绝对真空”假设之上的，因此它只适用于宏观方面，但由于经典物理无视该假设的存在，而在宇观方面推广，最终导致了一系列尖锐的矛盾。举一个简单的例子，我们就能认识到该相对性原理的局限性，例如，我们假想宇宙中有一个甲星球，它的质量、体积与地球相同（这主要是为了排除由于星球表面重力加速度的不同而造成的不同感觉），但由于空间存在引力场，我们假想甲星球相对地球的加速度为100米/秒平方，在甲星球和地球的水平面上分别停放着一辆火车，我们分别到这两个火车上做实验却发现：在这两个火车上运动定律a=F/m 都绝对精确的成立，任何力学实验都具有相同的结果，我们根本无法区分我们是在地球上还是在甲星球上。要知道，如果人坐在加速度为100米/秒平方的飞机中时，他将感觉非常痛苦，而且有骨折的危险。这个实验就足以把伽利略相对性原理限制在宏观领域，因为在伽利略相对性原理看来，我们不能区分的仅仅是静止与匀速运动，但事实上我们甚至连加速运动与匀速运动也无法区别，如本例。
第二个相对性原理在经典力学看来是错误的，但实验证实它是正确的。我们认为第二个相对性原理的意义是，它指出了一切运动都是相对的，描述物体运动状态的物理量：速度、加速度都是相对的，物体受的合外力也是相对的。请注意，我们之所以说这里的加速度是相对的（虽然它仍是相对新惯性系的），是因为新惯性系本身就是相对的，即任何一个星球，虽然它门之间相互做加速运动，但是它门都是新惯性系。只有找到了惯性系，才能找到出路。
第三个相对性原理可能比第二个相对性原理较难被人们接受，事实上既然第二个相对性原理否定了绝对空间及绝对运动存在之后，那么光速就不可能是相对绝对空间的了。因此我们就不必为地球上的光速各向同性而感到惊奇或可怕了。在经典力学看来，所有匀速运动的参照系都是惯性系，但在这无数多的惯性系中有一个“母惯性系”，它就是绝对空间，于是在经典力学中，绝对空间就理所当然地成了加速度以及光速的参照物，但遗憾的是这与实验不符。在我们的理论中，新惯性系的“母惯性系”当然只能是星球的重力场，因此也就只有重力场才能成为加速度以及光速的参照物，所不同的是，这里的“母惯性系”有无数多个，而经典力学中的“母惯性系”只有一个。可见空间充满了引力场，绝对真空是不存在的，而引力场正是光速的参照物以及光波的媒质。也正是不承认星球是惯性系，才致使后人又象牛顿引入绝对空间一样也不得不再向经典力学中引入“以太”。人们主观上给以太想象出来的一些奇怪的特征不正好是引力场所客观存在的特征吗？空间充满了引力场，而属于星球的那部分引力场是随星球一起运动的，不正好是菲涅尔的部分以太曳引假说吗？因此每个星球表面上都应有相同的光速。
第三个相对性原理可以解释一切经典物理难以解释的近代光学现象，却不改变时间、长度定义，而且可以解释狭义相对论不能解释的光波多普拉现象。该相对性原理与狭义相对论中的光速不变原理是不同的，因为第三个相对性原理与第一个相对性原理（伽利略相对性原理）是相容的，因为一个是宇观的，一个是宏观的，即我们认为地球上的光速是C，相对于地球以速度V运动的别的星球上的光速也是C，但相于地面以速度V飞行的飞机上测量光速是C+V，这是有实验事实支持的，即被动多普拉雷达原理，对于同一束雷达波，飞机静止时与飞行时飞行员所测的频率不同，而军事专家可以直接使用伽利略变换就可以正确计算出飞机相对地球的速度，他们根本不必学习罗伦兹变换。而光速不变原理与与伽利略相对性原理是矛盾的。我们先不考虑这些问题，也不考虑其否定时间、长度定义的做法对与否，也不考虑其中是否存在逻辑循环。我们先仅把争论集中在如下问题上：我们是应该把伽利略相对性原理限制在宏观领域呢，还是应该限制在低速领域呢？考虑到如果把它限制在低速领域的话，就将产生一个不可超越的极限速度的困难：我们认为宇宙是无限的，宇宙的质量也是无限的，而在如此一个宇宙中却存在一个极限速度是不可思议的，并且该极限速度仅为地球相对太阳速度的一万倍；考虑到我们是在考虑到一个重要线索的基础上得出结论的，该重要线索是：实物的引力质量与惯性质量相等，而狭义相对论却与该线索是矛盾的，如李醒明在《激动人心的年代》中言：“爱因斯坦是在建立狭义相对论后就试图着手建立引力的相对性原理。爱因斯坦起初想在狭义相对论的框架内构造引力理论，但存在一个难以克服的困难：根据狭义相对论中的质能关系式，物理体系的惯性质量随其总能量的增加而增加，但是根据1890年厄缶实验，物体的引力质量却与它的惯性质量相等，这显然与日常经验和该结论前提相矛盾。”；考虑到我们是应该否定绝对合外力呢还是应改变时间、长度的定义呢？绝对合外力是不存在的，至少我们无法知道任何一个物质受到的绝对合外力已是不争的事实，而时间、长度定义是人类主观规定的最基本的假设，我们无法判断它的对与错；考虑到我们似乎根本付不起这个代价，如在《普通物理学》中言“牛顿运动方程，他自己给出的形式为f=d(mv)/dt，通过简单的数学变形得f=ma，以后我们在讲到相对论时，知道物体的速度接近光的速度时，物体的质量将显著的改变，这时方程f=ma不再成立，但实验指出，方程f=d(mv)/dt仍然有效。”这意味着什么呢？意味着如果我们承认狭义相对论的话，就必须否定我们的整个数学体系！我们应该作出判断了吧！
参考文献：
《原理》 牛顿
《物理学的进化》 爱因斯坦
《科学的价值》 彭加勒
《科学与假设》 彭加勒
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