第一章 马赫原理
2019-05-21 17:542,517

  骑在旋转木马上的孩子可以感受到来自遥远星球的拉力。这种现象可以用马赫原理解释,即“物体的惯性受周围其他物体质量的影响”。通过引力,遥远的天体能够影响我们身边物体的移动和旋转。为什么会这样?你怎么判断某个物体是否在运动呢?

  坐过火车的人应该有过这样的体验:透过车窗,看对面火车的车厢离你远去。是你乘坐的火车正在出站还是另一列正在进站?有时候这很难判断。有没有什么办法能帮助我们确定到底是哪列火车开动了呢?

  奥迪力气哲学家和物理学家欧内斯特·马赫在19世纪就发现了这个问题。他追随着牛顿的思想,注意到,牛顿认为空间是绝对的。对此,他本人并不认同。牛顿将空间理解为类似有坐标系的坐标纸,所有的运动都可以映射到坐标纸的网格上。马赫不同意这个观点,他认为:只有相对于另外一个物体(而非坐标纸上的网格)来说,运动才是有意义的。如果不是相对于其他物体,那运动又有什么意义呢?在这一点上,马赫是受牛顿的竞争对手――戈特佛里德·莱布尼兹早期思想影响的,而后爱因斯坦又继承了马赫的思想,认为只有相对运动才是有意义的。马赫认为:一个皮球,无论是在法国还是奥地利,滚动方士都是一样的,跟空间网格无关。

  可见,唯一能够影响皮球滚动的就是重力(即引力)。在月球上,皮球滚动的速度可能会有所不同,因为在月球上它的重力要小一些。宇宙中的所有物体相互之间都存在着引力,并且通过这种相互作用感受其他物体的存在。从本质上说,运动不依赖于空间的属性,而依赖于物质或其质量的分布。

  质量到底什么是质量?质量是物体所含物质多少的度量。一块金属的质量等于其内部所有原子质量的总和。质量和重量不同。重量是将物体向下拽的重力的度量。宇航员在月球上比在地球上轻,是因为月球比地球小,其对宇航员施加的重力也小。但不论是在月球还是地球,宇航员的质量都是不变的,因为身体内所包含的原子数量并没有变化。爱因斯坦提出,质量和能量是可以相互转化的,质量可以完全变成能量。因此从本质上说,质量就是能量。

  惯性 惯性源于拉丁词汇“懒惰”。与质量非常类似,它表示通过力的施加使某个物体的运动发生改变的难度。惯性大的物体较难发生运动。即使是在太空中,大型物体发生运动所需的力也是很大的。比如,假设一个在轨道上运行的巨型岩石小行星将与地球相撞,若要改变它的运动方向,必须使用巨大的冲击力——或是通过核爆炸提供一个短暂而巨大的力,或是长时间地施加一个稍小的力。而小型空间飞船,由于惯性比行星小得多,因此通过喷气发动机就可以改变其运动方向。

  意大利天文学家伽利略早在 17 世纪就提出了惯性定律:如果某一物体处于某种状态,并且不对其施加任何外力,则它的运动状态将保持不变。也就是说,如果该物体处于运动状态,那么它将按照原有的速率和方向继续运动;如果该物体处于静止状态,那么它将继续保持静止。牛顿对该思想进行了提炼,并提出了他的运动第一定律。

  牛顿水桶 牛顿也研究过重力。他注意到物体是互相吸引的——苹果之所以从树枝落到地面,是因为苹果受到了地球的吸引。同样地,地球也受到了苹果的吸引作用。只是我们可能很难测出地球被苹果吸引后所产生的微小位移。

  牛顿证明,重力随距离的增加而迅速减少。所以我们在高空会受到远远小于在地表的重力。虽然在高空所受到的重力变小了,但仍可以感受得到,而且离开地表越远,所感受到的地球引力就越小。实际上,宇宙中的所有物体彼此之间都存在着微小的引力作用,并对我们的运动产生微妙的影响。

  牛顿曾尝试通过“旋转水桶试验”来理解物体和运动的关系。在水桶刚开始旋转的时候,里面的水是不动的。逐渐地,水也会随着木桶旋转起来,并且水面会凹陷。这是由于水面外沿想要“爬过”水桶边沿逃出来,却又受到木桶的约束力而无法溢出。牛顿认为,只有在绝对空间里的固定参考系中才能理解水的旋转。其实,我们只要看一下桶中的水就可以知道水桶是否在旋转。这是因为水桶在旋转时,作用在水上的力会形成凹陷的水面。

  几个世纪之后,马赫也研究了这个问题。如果这桶水是宇宙中仅有的物体,情况会是怎样呢?如何可知是桶在旋转呢?同样的现象,可否说是水相对于桶在旋转呢?要使讨论有意义,就必须把其他物体放到水桶的系统中,比如房间的墙或者遥远的不变的恒星。有了参考系,就可以判断水桶是否在旋转了。但若是没有静止的房间或者不变的恒星作为参考系,谁又能说清到底是哪个在旋转呢?当抬头仰望天空中沿弧形轨道运行的太阳和恒星时,我们也有类似的体验——到底谁在旋转,是恒星还是地球呢?

  欧内斯特。马赫(Ernst Mach)1838—1916 年

  除马赫原理的贡献外,奥地利物理学家欧内斯特。 马赫在光学、声学、感觉 感知生理学、科学哲学,尤其是超音速方面的研究成绩斐然。在他 1877 年发表的那篇颇具影响力的论文中,马赫描述了高于音速的发射体是如何产生类似于尾流的冲击波的。正是空气中的这种冲击波导致了超音速飞机的音爆 *。发射体或喷气式飞机的速度与音速之比现称为马赫数。马赫数为 2,是指其速度两倍于音速。

  * 编者注:音爆是指飞机超音速飞行时发出的巨大声响。

  根据马赫和莱布尼兹的思想,要使运动有意义,我们就需要外部参考系,在仅有一个物体存在的系统中讨论惯性这个概念是毫无意义的。因此,假如宇宙中没有恒星,我们就永远无法弄清地球是否在旋转。而恒星的存在证实了地球是相对于它们在旋转的。

  “马赫原理”中相对运动和绝对运动的观点引起了许多科学家的思考,尤其是爱因斯坦(“马赫原理”的命名者)。爱因斯坦基于“所有运动都是相对的”这一观点,建立了狭义相对论和广义相对论。他还用马赫原理解决了一个重要问题:旋转和加速必定伴随出现额外的力,但这些力在哪里?爱因斯坦指出,如果宇宙中的所有物体都是相对于地球旋转的,那么我们应该可以感受得到一个较小的力。这个力会导致地球以某种方式摇晃。

  几千年来,空间的本质问题困扰了无数科学家。现代粒子物理认为,太空是由不断生成和毁灭的亚原子粒子形成的“沸腾的大锅”。质量、惯性、力和运动实际上可能都是“沸腾量子汤”的外在表现而已。

  质量与运动的关系密不可分。

继续阅读:第二章 牛顿运动定律

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