2.4 经典力学和狭义相对论的基础有哪些不能令人满意的方面

我们已经说过，经典力学从以下定律出发：远离其他物质粒子的质点继续做匀速直线运动或继续保持静止状态。我们也再三强调，这个基本定律仅仅对一些具有某些特别的运动状态并相对做匀速平移运动的参考物体K才有效。相对于其他做平移直线运动的参考物体，这个定律就失效。所以在经典力学和狭义相对论中，我们都把二者区分开来。公认的“自然界定律”相对于参考物体K来说是成立的，而相对于另一些参考物体K，则这些定律不成立。但是，凡是思想模式合乎逻辑的人是不会满意此种解答的，他会问：“为什么认为某些参考物体（或它们的运动状态）比另一些参考物体（或它们的运动状态）要优越，此种偏爱的理由是什么？”为了让我的问题更为明朗清晰，我来做一个比喻。

脉冲星自旋 合成图片

脉冲星被公认是快速自旋的中子星。中子星是一种几乎整体均由中子组成的极端致密的恒星，其直径仅20公里，甚至更小些。当超新星激烈爆发后，其内核向内坍缩，即形成中子星。恒星表面处的中子衰变成质子和电子，这些荷电粒子从恒星表面释放出来，即进入环绕恒星并随恒星自转的强磁场之中。这些粒子被加速到接近光速，便产生称为同步加速辐射的电磁辐射。这种辐射从脉冲星的磁极处以强射束形式释放出来。磁极并不和自转极吻合一致，因此，脉冲星的自转致使射束旋转摆动。

探测普朗克长度 合成图片

需要用于探测普朗克长度那么小的距离的加速器的尺度会比太阳系的直径还要大。

假如我站在一个煤气灶旁。灶上并排放着两个非常相像且都盛着半锅水的平底锅。我注意到蒸汽从一个平底锅中不断冒出，而另一个锅则没有。对此情况我会感到惊讶，即使如果我以前从没有过煤气灶或平底锅，也会感到奇怪。但如果我注意到在第一个平底锅下有蓝色的光，而另一个锅底下则没有，那么我不会再感到惊奇，即使以前我从来没见过煤气火焰。我敢说，是这种带蓝色的火焰使平底锅里冒出蒸汽，或者至少有这种可能。可是如果我注意到两个平底锅下都没有带蓝色的火焰，而且其中一个锅还在不断地冒出蒸汽，而另一个锅则没有，那么我将感到惊讶和迷惑，直到有明确的答案说明为什么这两个非常相像的平底锅有不同的表现为止。

宇宙诞生（左） 合成图片

乔治斯·勒迈特的宇宙膨胀理论，后来被称做“大爆炸理论”。早些时候，一位名叫亚历山大·弗里德曼的数学家提出一个与爱因斯坦及其他科学家使用的静态模型相悖的宇宙动态模型，但他的工作是数学化的。勒迈特把物理学和天文学的最新发现融入了他的理论。他提出，既然有证据表明各星系统在互相飞离，那么必有一个时期它们全都集中于他称为“古原子”的一点。这种物质和能量的高度集中可能导致了一次大爆炸，并使宇宙开始了膨胀的进程。此图是根据勒迈特的推测制作的宇宙诞生模型。

对撞机（右） 摄影

目前建造使用的对撞机有正负电子对撞机 、正反质子对撞机和质子-质子对撞机。带电粒子经加速器预加速，再注入环形真空室（贮存环）中“贮存”起来；在贮存环中积累到较高的密度，并加速到一定的能量，再用于对撞。

类似的，在经典力学（或狭义相对论）中，为什么相对于参考系K和K1来考虑时物体会有不同的表现这一问题，我没有找到什么实在的东西来说明。牛顿看到了这个缺陷，并曾试图使它趋于无效状态，但是没有成功。只有马赫看得最清楚，正因为如此，他宣称必须把力学放在一个新的基础上。借助与广义相对性原理一致的物理学，我们才能够消除这一缺陷，因为这一理论的方程，对于不论其运动状态如何的一切参考物体，都是成立的。

附〉〉〉经典力学的基础

经典力学的基础也就是牛顿运动定律。

牛顿第一定律

内容 物体将保持静止或做匀速直线运动，直到其他物体对它的作用力迫使其改变这种状态为止。牛顿第一定律阐明了物体运动的如下本质规律：

物体运动的惯性 由牛顿第一定律可知，物体之所以静止或做匀速直线运动是由于物体的本性造成的。这种本性叫做物体运动的惯性。

惯性的大小可以使用一个物理量——质量来描写 这个质量也称为物体的惯性质量。在国际单位制中，质量的单位是千克（kg）。物体质量越大，惯性越大，保持原有运动状态的本领越强。

牛顿第一定律阐明了力是改变运动状态的原因，而不是维持物体运动状态的因素 这是牛顿的一个重大发现。在牛顿之前人们一直认为力是起维持物体运动状态的作用。

牛顿第二定律

内容 物体受到外力作用时将产生一个加速度，加速度的大小与合外力的大小成正比，与物体自身的质量成反比，加速度的方向在合外力的方向上。

牛顿第二定律是牛顿第一定律逻辑上的延伸，它进一步定量地阐明了物体受到外力作用时运动状态是如何变化的（使物体产生一个加速度）。牛顿第二定律定量的数学表达式为

　　F=kma

在国际单位制下，力是以牛（N）为单位，加速度以m/s2为单位，质量以kg为单位，这时k=1，故有

　　F＝ma

上式是矢量的形式的，也叫做牛顿运动方程。在牛顿定律的应用中，大家特别要注意的是第二定律中的F是物体所受的合力。

微积分著作 书影

牛顿和莱布尼兹对微积分的创建都作出了巨大的贡献，但两人的方法和途径不同。牛顿是在力学研究的基础上，运用几何方法研究微积分的；莱布尼兹主要是在研究曲线的切线和面积的问题上，运用分析学方法引进微积分要领的。

在某些情况下，物体所受的力为恒力，物体具有的加速度为匀加速度，例如自由落体运动，这时力与加速度都不随时间t变化。但是更普遍的情况表现为物体所受的力为变力，力的大小方向都可能发生变化，相应物体的加速度也是变化的，这时物体的加速度与力在时间上应表现为一一对应的关系。

占星术 示意图

人类总想控制未来，或者至少预言将来发生的事情，这就是占星术如此流行的原因。占星术宣称，地球上的事件和行星划过天穹的运动相关联，它的理论是建立在研究宇宙星象的基础之上的，因此，占星术也被称为“科学的迷信”。

牛顿第三定律

内容 牛顿第三定律有多种表述形式，这里只介绍一种较常见的表述，即物体之间的作用力与反作用力大小相等，方向相反，作用在不同的物体上。

牛顿第三定律在逻辑上是牛顿第一、第二定律的延伸 在第一、第二定律中都使用了力的概念，但什么是力，力有什么特点都没有具体介绍。牛顿第三定律就是来补充力的特点和规律的定律。根据牛顿第三定律，我们可以将力定义为：力就是物体间的相互作用。这种相互作用分别叫做作用力与反作用力。从牛顿第三定律我们知道作用力与反作用力之间有如下的特点：

1.作用力与反作用力大小相等，方向相反。力线是在同一直线上的。

2.作用力与反作用力不能抵消，因为它们是作用在不同的物体上的。

3.作用力与反作用力是同时出现，同时消失的；作用力与反作用力的类型也是相同的，如果作用力是万有引力，则反作用力也是万有引力。

迈斯内效应 示意图

当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，即能把原来存在于体内的磁场排挤出去。人们对围绕球形导体（单晶锡）的磁场分布进行了实验测试，结果惊奇地发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场都突然发生了变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了。于是，人们将这种当金属变成超导体时磁力线自动排出金属体之外，而超导体内的磁感应强度为零的现象，称为“迈斯内效应”。

牛顿运动定律应用中要注意的问题

牛顿运动定律适用于质点 牛顿运动定律中的“物体”是指质点，或均针对质点成立。如果一个物体的大小形状在讨论问题时不能够忽略不计，可以将该物体处理为由许许多多质点构成的质点系统（简称为“质点系”）。质点系中每一个质点的运动规律都应当遵从牛顿运动定律。

力量与加速度 合成图片

牛顿的第二运动定律是指：当一个做匀速直线运动的物体受到外力作用时，速度就会发生改变，并且速度的改变与物体所受外力的大小成正比。牛顿的第二运动定律解释了为什么球拍击打小球的力量越大，小球的速度就越快。

牛顿力学适用于宏观物体的低速运动情况 在牛顿于1687年提出著名的牛顿三大定律之前，人们对物质及其运动的认识还仅仅局限于宏观物体的低速运动。低速运动是指物体的运动速度远远小于光在真空中的传播速度。牛顿力学在宏观物体低速运动的范围内描述物体的运动规律是极为成功的。但是到了19世纪末期，随着物理学在理论上和实验技术上的不断发展，人类观察的领域不断扩大，实验上相继观察到了微观领域和高速运动领域中的许多现象，例如电子、放射性射线等等。人们发现用牛顿力学解释这些现象是不成功的。直到20世纪初，量子力学诞生，才对微观粒子的运动规律给予了正确的解释，而对于高速运动的物理图像，则必须用爱因斯坦的相对论进行讨论。