|
五、运动和静止的相对性与绝对性 摘要: 文章从唯物辩证法的相对绝对论原理和量子力学的互补原理出发，结合陈寿元先生关于静止的认识、何在先生的物体的运动、静止、时间、空间关系涵维图式与“牛顿桶实验”分析了运动和静止的相对性与绝对性，提出了运动的相对性与绝对性原理。 关键词：相对绝对论、运动和静止、相对性、绝对性、“牛顿桶实验”
（一）静止与运动 运动与静止是物理学永恒的话题，运动是时间的本性，静止是空间的本性。运动和静止是无限与有限、空间与时间相互作用的结果，也是一切事物相互规定之统一效应的展现。恩格斯运动观：“运动应当从它的反面，即静止中找到它的度量”。静止是相对的，是指事物在一定的条件下的相对稳定和平衡状态，是物质运动过程中的一种特殊形式。不能正确认识静止，也就不能客观的研究运动。 中国古代的墨子把运动称为“行”、“动”，把静止称为“守”、“止”。“行修以久，说在先后”。“行者。行者必先近而后远。远近，修也。先后，久也”。“动，域徙也”。“止，以久也。无久不止。”“守，说在长守久。”“长守，徙而有处，守。”意思是说，运动就是行者（物）在时间（久）与空间（长）中行动、迁徙；静止就是在“长、处”中守候时间（久）。值得注意的是，墨子已经研究了匀速运动状态，把它称为“长守”，认为它是一种“徙而有处”的守。 古希腊的亚里士多德给运动下了这样一个定义：“运动就是能够动作者和能够承受者作为它们自身的实现”（《物理学》）。从这个定义可以看出，亚里士多德把“能够承受者”看成是运动物体，把“能够动作者”看成是“推动者”，推动者是物体运动的根本原因。亚里士多德还最先提出了“第一推动”的命题：“既然运动应该是永恒的、不会中断的，那么就必定存在着某个永恒的最初造成运动的东西。并且不论是一个还是多个，这个最初运动者都是不能被运动的”（《物理学》）。也就是说，这个第一推动者自己是静止的，只有它静止着，才能推动别者运动。 当然，中国早期的“相对论”者------------庄子也有过“飞鸟不动”的怪论；从手法上看，他同芝诺都是在运动空间的“无限可分”上做文章，而与他们的手法不太相同的却是中国的僧肇。 僧肇（公元384～414）生活在魏晋玄学盛行的时代，他写了一篇《物不迁论》，用否定时间连续性的方法来否定运动的存在。“今若至古，古应有今。古若至今，今应有古。今而无古，以知不来。古而无今，以知不去。若古不至今，今亦不至古，事各住于一事，有何物而可去来？……求向（过去）物与向，于向未尝无。责向物于今，于今未尝有。于今未尝有，以明物不来。于向未尝无，故知物不去。复而求今，今亦不往。是谓昔物自在昔，不从今以至昔；今物自在今，不从昔以至今。……昔物不至今，故曰静而非动。” 物理意义上讲，度量运动必须先定义静止，即选取参照物的准则是什么？运动的直观可定义为“物体静止的内外涵合表象的相互转换”；运动的分析可定义为“物体静止的内外涵合表象的转换速度”。谈运动必须谈静止。与运动的直观和分析相对应，静止的直观可定义为“物体运动的内外表象的相互涵合”，静止的分析可定义为“物体运动的内外转换表象的速度停位”。这里所谈的运动和静止的“内外表象”，意指运动和静止事物的两层性：静中有动，动中有静，外动内静、内动外静，动与静相互依存，相互转换。这里对运动、静止的直观和分析所作的定义，是从物体层次表象和物体变化表象来进行的。物体是物理感知和分析的对象。运动总是某“物体”的运动，静止也总是某“物体”的静止。物体首先要获得“运动”和“静止”这样的抽象直观和分析形式才能进入命题领域。在物理学对物体的实际分析中，运动和静止已用自己的抽象形式取代了“物体”，或换句话说，物理学眼中的客观事物或物体，就是“运动和静止”的图象。如同数学用抽象的符替代客观事物对象和秩序一样，物理学把客观事物或物体抽象成“静止和运动”，以建立自己的对象世界。相对于静止的运动（物体躲在后面），是物理学的逻辑起点。这一点是必须认清的。不然，我们就难以理解物理学为什么仅仅通过对“运动”的描述，就可以获得“物体”各个方面的物理学认知，并创造它的奇迹。反过来，理解了这一点，也就理解了物理学如何利用数学秩序把“物体”隐在运动与静止的关系中进行描述并最终说明物体自身的全部奥妙。 物理学只有获得物体对象的“运动与静止”的抽象后，才能获得它的数学抽象。物理学的奇迹就发生在运动与静止的数学关系中。运动与静止在本质上是同体的、多层的、对称的、平衡的、同权的。这种本质反映在物体表象上就是涵合与转换的对立统一。我们通过物体的表象抽象出运动与静止的形式，并以这种形式界定物体本质的表象反映，来说明对物体本质的“切入”程度。这种切入的程度愈深，说明我们对物体表象的本质认识愈深。 下面是陈寿元教授给出的关于静止的认识——静止的定义Ⅰ：在一个封闭的体系内，若有一个物体，受到其它物体的相互作用，没有观测到它发生运动，就是静止。用它来度量体系内其它物体的运动状态是合理的，也是客观的。相对与它，空间位置发生变化的物体，称为在相对运动；空间位置没有发生变化的物体，在相对静止状态。体系内凡静止的物体都可以作为运动物体的参照物，用它们来度量运动是等价的。 通常人们在不同的研究范围内，静止物体的选取是有区别的。如（1）讨论地面上物体的运动时，在地球为主的体系内，该体系内的各种相互作用，并不能使地球发生可观测到的运动，我们认为地球是静止不动的，相对与地球静止的物体都可以作为描述运动物体的参照物；（2）研究行星运动时，在太阳为主的体系内，该体系内的各种相互作用，并不能使太阳发生可观测到的运动，我们认为太阳是静止不动的，它可以作为描述行星运动的参照物；（3）研究银河系物体的运动时，我们认为银河中心是静止不动的，可以作为描述运动物体的参照物；（4）在匀速运动的车（船）为主的体系内，该车（船）内的各种相互作用，并不能使车（船）发生可观测到的运动，我们认为车（船）是静止不动的，相对与车（船）静止的物体都可以作为描述车（船）内运动物体的参照物。因此，在匀速运动的车（船）上的乘客是静止的，是车（船）相对地面在匀速运动，并非乘客在运动。 静止的定义Ⅱ：具有相同速度和加速度的多个物体，互为相对静止；以相同角速度和角加速度，绕共同轴转动的多个物体，互为转动相对静止.. 地面上许多物体以相同自转速度和公转速度随地球一起自转、绕太阳公转运动，处于与地球相对静止的状态；月球总是一面朝着地球，绕地球做公转运动，站在月球上看地球，地球的位置没有变化，这种静止称为转动相对静止。天文观测结果：几乎所有自然卫星总是一面朝着其行星，做公转运动，都处于转动相对静止状态。 亚里士多德：站在地球上人，没有觉到（观察到）地球运动，都观察到太阳、星星及所有的天体都围绕地球转动。直接观察地面上的人劳动，使物体运动，需要推力或拉力。哥白尼：离开地球看天体的运动问题，地球运动—太阳不动。伽利略：在封闭的船舱里，都不能分辨船本身是运动还是静止。在巨大的地球上，仅靠地球上的目标，更无法确定地球是运动还是静止。认为地球绕太阳运动是永恒的。牛顿力学的第一定律：物体匀速运动与静止状态没有什么区别！ 迄今为止，没有人发现地面上处于与地面静止的某物体，无原因的发生与地面的相对运动；自然事实说明物体有保持相对静止状态的属性；地面上所有相对运动的物体都要受到阻力的影响，这是不争的事实.天体运动作用机理与地面物体是相同的---也都要受到阻力作用.如地球的自转长期减慢；火卫一正在下落；中子星的自转周期是缓慢增加，其绕转周期是缓慢减小.如果地面上物体发生相对与地面的运动，要受到阻力作用，回到与地面的相对静止状态。如果匀速车（船）里的物体，发生相对与车（船）厢的运动，要受到阻力作用，回到与车（船）厢的相对静止状态。自然现象表明物体有恢复相对静止状态的属性。何在先生认为物体的运动、静止、时间、空间关系涵维图式： (二)运动的绝对性与相对性 1、运动的相对性 Einstein说：“可惜我们不能置身于太阳与地球之间，在那里去证明惯性定律的绝对有效性以及观察一下转动着的地球。” 【2】“我们不知道有什么法则可以找出一个惯性系。可是，如果假定出一个来，我们便可以找到无数个。”【3】 狭义相对性原理认为，所有惯性参考系都是完全等价的，不存在一个优越的特殊的惯性参考系；在一个惯性参考系内部做的任何物理实验都无法发现该惯性系相对任何别的惯性系的运动速度。Einstein说：“如果世界上只有一个物体存在，是不能考察它的运动的，因而只存在一个坐标系和另一个坐标系的相对运动。”【5】 “取定两个物体，例如太阳和地球，我们观察到的运动也是相对的，既可以用关联于太阳的坐标系来描述，也可以用关联于地球的坐标系来描述。根据这个观点来看，哥白尼的成就就在于把坐标系从地球转到太阳上去，任何坐标系都可以用，似乎没有任何理由认为一个坐标系会比另一个坐标系好些。 【6】Einstein承认：“关联于太阳的坐标系比关联于地球的坐标系更像一个惯性系，物理定律在哥白尼系统中用起来比托勒密系统好得多。” “我们能否这样地表达物理定律，使它在所有坐标系中，既不单在相对作等速运动的坐标系中而是在相对做任何运动的坐标系中都有效呢？如果这是可以作到的，那么困难就会得到解决，那时我们边有可能把自然定律应用到任何一个坐标系中去。于是，在科学早期中的托勒密和哥白尼的争论也就变得毫无意义了。” 2、运动的绝对性 Newton曾提出著名的“牛顿桶实验”：如图（ 4 ），把一个桶吊在一根长绳上，将桶旋转而使绳拧紧，然后盛之以水，并使桶与水一道静止不动，接着将桶反转一下，桶和水将经历以下三个阶段： a ，桶和水都静止； b ，桶转水不转： c ，桶和水同步转。对于 a和 c ，其水相对于桶都是静止的，但可以看到水面的形状不同，假设桶内有一观察者，显然可以根据水面的形状来判断系统是否在转动，所以，绝对空间的观念是必要的。马赫当时提出反对意见“没有一个人能断言，如果桶壁增加到几英里厚时，这个实验会有什么结果”，显然，当时没有人能实现马赫的设想，但是，实事则完全支持牛顿的观点，例如从望远镜中观察到的木星很扁，科学家告诉我们，那是因为木星自转引起的。即使桶壁达到几千英里厚，其实验结果不会改变。所以：转动是绝对的。
狭义相对性原理和现代宇宙学是完全冲突的。当前比较公认的宇宙学理论，建立在宇宙学原理的基础上，即假设宇宙在空间上是均匀而且各向同性的。宇宙可以看作是密度到处都相同的流体，而星系或星系团就是组成这种流体的质点。由于均匀性和各向同性的要求，这种流体只能均匀膨胀或均匀收缩。现代宇宙学认为，在宇观范围内，存在着“宇宙标准坐标系”，典型星系或星系团在这个坐标系中是相对静止的；“宇宙标准坐标系”是优越的空间坐标系，典型星系和宇宙背景辐射对于这个坐标系均匀和各向同性；可以测量地球相对于宇宙标准坐标系的运动速度。现代宇宙学得到河外星系红移和2．7K宇宙背景辐射等大量观测事实的支持。宇宙背景辐射是美国科学家彭齐斯和威尔逊于1965年发现的。近几年的研究证实，背景辐射严格地各向同性的情况只存在于一个惯性系中，在相对它运动的任何其他惯性参考系中显示出辐射温度的方向变化。可以认为，宇宙背景辐射是宇宙标准坐标系的最好的物质体现。测量从各个方向到达地球的宇宙背景辐射温度的微小偏离，得到我们的地球穿过这个“宇宙背景”的绝对运动速度大约为400公里／秒。正是这个速度被称为“新以太漂移”。Einstein在以太问题上也曾犹豫不定。1920年，他在题为《以太和相对性原理》的演讲中说：“根据广义相对论，空间没有以太是不可思议的。实在的，在这种（空虚的）空间中，不但光不能传播，而且量杆和时钟也不可能存在，因此也就没有物理意义上的空间一时间间隔。……因此，在这种意义上说，以太是存在的。”他甚至说到：“至于这种新以太在未来物理学的世界图像中注定要起的作用，我们现在还不清楚。”现在，面对宇宙背景辐射等实验事实，许多著名的物理学家都认为应当恢复以太假设。柏格曼认为，在宇观尺度上，相对性原理被破坏了；宇宙背景辐射只在一个独一无二的参考系中各向同性，在这个意义上，那个参考系代表“静止”。韦斯科夫认为，无论如何，观察到的2．7K辐射决定了一个各向同性的绝对坐标系；迈克尔逊和莫雷的梦想变成了现实，即找到了我们太阳系的绝对运动，不过不是相对于以太，而是相对于光子气。斯塔普认为，2．7K背景辐射定义了一个优越的参考系，利用它可以决定事件发生的绝对顺序。协同学创始人哈肯也认为，狭义相对论否定了特殊参考系的存在，但是宇宙背景辐射却成了一个绝对的参考系。罗森甚至认为，宇宙学的最新发现要求回到绝对空间的观念。北京大学理论物理研究所原所长胡宁认为，在迈克尔逊实验的零结果和以太模型之间并不存在任何矛盾；在某种意义上，前述400公里／秒的速度可以看作是迈克尔逊所要测量的地球相对于以太运动的速度。他认为，宇宙背景辐射各向同性分布所决定的坐标系可以看作是真空的静止坐标系；相对性原理的适用范围应有一定的限度。最后，我们看一看当代著名物理学家狄拉克对此作出的评论。早在1970年，狄拉克就指出：“以太观念并没有死掉，它不过是一个还未发现有什么用处的观念，只要基本问题仍未得到解决，必须记住这里还有一种可能性。” Einstein在1920年4月4日给莫里斯。索洛文（MauriceSolovine）的信里写过：“。。。。。。如果光以太真的存在，并且以刚体的形成充满整个空间，而所有运动都应该以它为参照系，那末我们就可以说有“绝对运动。。。。。。” 【7】在这里，Einstein提出了可以说有“绝对运动”的条件。真空介质的四条特性：（1）真空介质是宇宙空间客观存在的一种电介质。（真空介质在这里满足了Einstein提出的“真的存在”的介质的条件）。（2）真空介质具有至刚、至柔、无限、无极（均匀）的特点。它无物可以被弯曲，又无物可以产生任何改变，这也就是真空介质的至刚特点。（真空介质在这里满足了Einstein提出的“刚体的形式”的条件）真空介质可以容纳任何物质和物体，又可以被容于任何物质和物体；它可以通过任何密封而通畅无阻，又可以进入任何坚实致密的物体（或物质）无所障碍。这就是真空介质的至柔特点。（真空介质不但具有刚体的特点，还自然具备至柔的特点。至刚至柔融为一体者，唯有真空介质）。真空介质充满整个空间，在无物的空间被真空介质所充满，而在有物的空间，也包容着本来就有的真空介质。只不过物质的存在掩盖了真空介质的存在罢了，它无所不在。这就是真空介质的无限特点。（真空介质在这里满足了Einstein对“光以太”提出的“充满整个空间”的条件）。真空介质，各向同性，无所集，无所散，无以密，无以疏。这就是真空介质的无极（均匀）的特点。（真空介质，不但“充满整个空间”而且自然地各向同性，均匀）。（3）、真空介质是任何运动唯一可以参照，而且必须参照的绝对静止参考系。因为在宇宙间只有真空介质，才是绝对静止的介质。任何一种物质的介质，都是有运动的。即任何其他的物质介质，都具有不可避免的运动。这是唯物辩证法和辩证唯物论的常识告诉我们的。（真空介质在这里满足了Einstein对“光以太”提出的“所有运动都应该以它为参照系”的条件）。（4）、麦克斯韦的电磁场理论证明：电磁波包括光波，在真空介质中的传播速度是光速c。即光在真空介质中以恒值c的速度传播。这一事实说明了真空介质作为一种介质，它的稳定性是可信赖的，这一事实也说明真空介质作为绝对静止参考系是能经锝起光波传播的检验的。 哲学家罗素就对相对性原理提出过疑问：“如果一切运动是相对的，地球旋转假说和天空回转的假说的差别就纯粹是辞句上的差别；大不过象“约翰是詹姆斯的父亲，詹姆斯是约翰的儿子”之间的差别。但是假如天空回转，星运动的比光还快，这在我们认为是不可能的事情。不能说这个难题的现代解答是完全令人满意的，但是这种解答已让人相当满意，因为几乎所有的物理学家都同意运动和空间纯粹是相对的这个看法。” 【4】唯物辩证法认为运动是绝对的，静止是相对的，具有一定的局限性 。从绝对时空观来看，地球和太阳之间存在相对运动，但太阳相对地球的运动和地球相对太阳的运动是不等价的。太阳相对地球的运动是表面现象，真正的运动是地球绕太阳转动的这种运动，所以，哥白尼系统是属于绝对时空观的范畴。这是十分简单明了的问题。 3、运动和静止的相对性与绝对性原理 运动和静止是矛盾着的两个方 面，运动过程中包含着静止，静止过程中包含着运动，运动和静止是相互包含的 。绝对运动即没有运动，绝对静止即没有静止，运动和静止成为无条件的和永恒的。运动和静止在无限的宇宙中，没有彼此之分，完全融为一体，达到了绝对的全息，因而消除了两者的对立性，即消除了两者的矛盾性，使运动和静止的存在都不以对方的存在为前提，两者合二为一，其存在不依赖任何条件。然而，绝对运动是相对运动的标准，绝对静止是相对静止的标准。运动是守恒的，也意味着运动是不变的——静止的。从位置的固定性和非固定性上、从事物质的稳定性和非稳定性上、从运动形式的单一性和多样性上看，运动既是无条件的、永恒的，又是有条件的、暂时的，因而运动既是绝对的、标准的，又是相对的；静止也既是无条件的、永恒的，又是有条件的、暂时的，因而静止既是绝对的、标准的，又是相对的。运动和静止都是绝对与相对的统一。【1】
参考文献： 【1】王存臻、严春友 著.《宇宙全息统一论》山东人民出版社 1995年版 【2】Einstein和英费尔德 著 周肇威译.《物理学的进化》112页 上海科学技术出版社 1962年 【3】Einstein和英费尔德 著 周肇威译.《物理学的进化》119页 上海科学技术出版社 1962年 【4】罗素著 马德元译 《西方哲学史》下卷第60-61页 商务印书馆 1982年 【5】Einstein、英费尔德,1962，物理学的进化（中译本）,上海科学技术出版社。155页 【6】Einstein、英费尔德,1962，物理学的进化（中译本）,上海科学技术出版社。155页-156 【7】Einstein文集117页 |
李学生 （lixueshenglxs@21cn.com） 上传2007.05
浏览130
