惯性的故事——萨尔维阿蒂的大船.docVIP

一、惯性的故事——萨尔维阿蒂的大船 经典物理学是从否定亚里士多德的时空观开始的。当时曾有过一场激烈的争论。赞成哥白尼学说的人主张地球在运动，维护亚里土多德----托勒密体系的人则主张地静说。地静派有一条反对地动说的强硬理由：如果地球是在高速地运动，为什么在地面上的人一点也感觉不出来呢？这的确是不能回避的一个问题。 　　1632年，伽利略出版了他的名著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。书中那位地动派的“萨尔维蒂”对上述问题给了一个彻底的回答。他说：“把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里，让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫，舱内放一只大水碗，其中有几条鱼。然后，挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里。船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐中，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之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速，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。水滴将象先前一样，滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾。虽然水滴在空中时，船已行驶了许多柞。鱼在水中游向水碗前部所用的力并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，蝴蝶和苍蝇继续随便地到处飞行。它们也决不会向船尾集中，并不因为它们可能长时间留在空中，脱离开了船的运动，为赶上船的运动而显出累的样子。” 　　萨尔维阿蒂的大船道出了一条极为重要的真理，即：从船中发生的任何一种现象，你是无法判断船究竟是在运动还是在停着不动。现在称这个论断为伽利略相对性原理。 　　用现代的语言来说，萨尔维阿蒂的大船就是一种所谓惯性参考系。就是说，以不同的匀速运动着而又不忽左忽右摆动的船都是惯性参考系。在一个惯性系中能看到的种种现象，在另一个惯性参考系中必定也能无任何差别地看到。亦即，所有惯性参考系都是平权的、等价的。我们不可能判断哪个惯性参考系是处于绝对静止状态，哪一个又是绝对运动的。 伽利略相对性原理不仅从根本上否定了地静派对地动说的非难，而且也否定了绝对空间观念(至少在惯性运动范围内)。所以，在从经典力学到相对论的过渡中，许多经典力学的观念都要加以改变，唯独伽利略相对性原理却不仅不需要加以任何修正，而且成了狭义相对论的两条基本原理之一。 ? 二、惯性定律的建立 ? 人类是如何认识惯性的，惯性定律为什么是牛顿第一定律的别称，而不是伽利略或笛卡儿所发现的？本文以史实为依据，对这一问题作初步阐述． 　　古希腊的哲学家亚里士多德（公元前384-322年）在他所著《物理学》一书中认为：机械运动有自然运动和强迫运动，如马拉车行驶，奴隶曳船行驶，这些运动必须有推动者，即运动必须有外力维持，否则就归于静止．他认为“一切运动的物体必定受某物的驱动”．千百年来人们都相信亚里士多德的说法：外力是物体产生并维持运动的原因，亚里士多德根据对现象的观察、直觉推理方法得到结论的，他没想到用实验来验证，在他的思想中对惯性根本没有任何认识． 　　比亚里士多德稍晚的古希腊的另一位哲学家伊壁鸠鲁（公元前342#0;270年）却提出了不同的看法，他说：“尽管原子在质量和形式上是那样的不同，然而它们却以同样的速度在虚空的空间中运动．”古罗马原子论者卢克莱修（公元前约99#0;55年）在《物性论》中说：“每样东西虽然重量不相等，都必定以同样的速度冲下，通过寂静的虚空运动．”他们两人的看法虽有惯性运动的见解，但仅仅是一种猜测和推理而已． 　　我国远在春秋战国的“墨经”上已有惯性的论述．在春秋战国末期的《考工论辀人篇》中更有明确的记载：“劝登马力，马力既竭，犹能一取也．”意思是说：马拉车的时候，马虽然对车不再施力了，但车还能继续前进一段路，这显然是在讲述一种惯性现象． 　　14世纪的布鲁丹曾经说过：物体被抛出后，若无外力的作用，它本身的冲力（动量）就能使物体永远保持匀速运动．15世纪罗马教会主教库萨的居拉（1401#0;1464年）说：“在光滑地板上运动着的光滑小球，将继续运动直到受到某些物体的制止．”这些人的看法都是从一定哲理出发；缺乏实验根据．但他们都曾先后冲击着亚里士多德的断言． 　　真正令人们信服的论述是意大利物理学家伽利略（1564#0;1642年）所作出的，他在《关于托勒密和哥白尼两种