說(shuō)完量子力學(xué)，接下來(lái)肯定要說(shuō)說(shuō)相對(duì)論，畢竟相對(duì)論也是當(dāng)今物理學(xué)的兩大支柱之一。那么在講相對(duì)論之前，還是很有必要先了解下牛頓力學(xué)，因?yàn)橄鄬?duì)論本身就是統(tǒng)一牛頓力學(xué)和電磁學(xué)的一個(gè)全新的理論。
好，進(jìn)入今天的正題。
首先我們從牛頓定義出來(lái)的絕對(duì)空間入手，來(lái)了解牛頓力學(xué)的基本體系。我們知道絕對(duì)空間是牛頓力學(xué)中經(jīng)常被詬病的地方，在相對(duì)論出來(lái)以后，我們常會(huì)說(shuō)，愛因斯坦否定了絕對(duì)空間的存在，認(rèn)為空間也是相對(duì)的，那為什么牛頓當(dāng)年非要冒險(xiǎn)定義出絕對(duì)空間，這個(gè)看不見，摸不著的東西？
這事還得從伽利略說(shuō)起，因?yàn)閺馁だ蚤_始，經(jīng)典力學(xué)才有了雛形，我們對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律才有了較為正確的認(rèn)識(shí)，之前古希臘那一幫子人，總喜歡搞哲學(xué)上的思辨，在認(rèn)識(shí)世界的過(guò)程中只注重理性思維的作用，從來(lái)不親自動(dòng)手驗(yàn)證一下自己說(shuō)的對(duì)不對(duì)。
而且他們一上來(lái)就直接想揭示事物背后的真理，回答物體為什么運(yùn)動(dòng)，這樣本質(zhì)性的問(wèn)題？從來(lái)不會(huì)研究物體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，試想一下，你對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程都不了解，如何能揭示出物體為什么運(yùn)動(dòng)，這樣本質(zhì)性的問(wèn)題。
而伽利略不同，他是第一個(gè)將理性思維和實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)的人，開創(chuàng)了近代物理學(xué)研究的范本。并且伽利略不再執(zhí)著于追問(wèn)物體為什么運(yùn)動(dòng)？而是對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程進(jìn)行了精確的描述。
所以從伽利略開始，我們就有了兩個(gè)重要的力學(xué)規(guī)律，以及一個(gè)基本原理。第一個(gè)是：自由落體定律，再一個(gè)是慣性定律，以及相對(duì)性原理。
自由落體定律說(shuō)的是，在不考慮空氣阻力的情況下，重物和輕物下落的時(shí)間是一樣的，原因是它們?cè)谙侣涞臅r(shí)候都有一個(gè)固定的加速度，這是后來(lái)牛頓才給出了完整的數(shù)學(xué)描述。
但伽利略還是用實(shí)驗(yàn)有力的否定了2000年來(lái)，亞里士多德的觀點(diǎn)，不過(guò)伽利略并不是做得比薩斜塔實(shí)驗(yàn)，這是后來(lái)他的學(xué)生杜撰的。
慣性定律說(shuō)的是，物體一旦運(yùn)動(dòng)起來(lái)，在沒有受到外力阻止的情況下，它將一直運(yùn)動(dòng)下去。可以看出，伽利略只說(shuō)了個(gè)大概，表述得并不那么完整。笛卡爾后來(lái)在他的《方法論》中給出了完整的描述，基本上和我們今天聽到的版本一樣。
不過(guò)，伽利略的說(shuō)法還是有力地反擊了，亞里士多德所描述的自然運(yùn)動(dòng)和受迫運(yùn)動(dòng)，亞里士多德認(rèn)為，任何物體總是傾向于回到他的自然位置，比如蘋果的下落，是因?yàn)樘O果想回到地球的中心，地球的中心是宇宙的中心，所以也是蘋果的自然位置。
這種想回到自然位置的運(yùn)動(dòng)，不需要任何力的作用，亞里士多德稱之為自然運(yùn)動(dòng)，受迫運(yùn)動(dòng)說(shuō)的是，當(dāng)物體受到外力的時(shí)候，被迫離開原來(lái)位置的運(yùn)動(dòng)。如果外力消失，物體會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，傾向于回到它的自然狀態(tài)，也就是靜止的狀態(tài)。
在亞里士多德的世界中，任何物體都傾向于靜止，所以靜止?fàn)顟B(tài)就有了絕對(duì)的優(yōu)越性，反而運(yùn)動(dòng)成為了反常的行為。
很明顯，亞里士多德的話沒有一句是靠譜的。
而伽利略強(qiáng)調(diào)的是靜止和勻速直線運(yùn)動(dòng)是完全等價(jià)的兩種狀態(tài)，并且給這兩種狀態(tài)起了個(gè)名字叫慣性系。
因此就有了相對(duì)性原理，說(shuō)的是在任何慣性系中，力學(xué)定律保持不變。比如說(shuō)，在一個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)的火車中，如果你不往外看，你是無(wú)法區(qū)分火車是在運(yùn)動(dòng)，還是靜止。
也就是說(shuō)，不管你做任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)，都無(wú)法區(qū)分火車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，比如你在火車上觀察小球的自由落體，跟地面上得到的力學(xué)規(guī)律是一樣的，在火車上打乒乓球，跟地面上的感受完全一樣。
伽利略還給出了相對(duì)性原理的數(shù)學(xué)描述，這個(gè)特別簡(jiǎn)單，小學(xué)的應(yīng)用題經(jīng)常會(huì)用到伽利略變換。
可以看出伽利略的貢獻(xiàn)就是牛頓力學(xué)的根基，其實(shí)還有笛卡爾，不過(guò)由于笛卡爾的位置比較尷尬，正好處在了伽利略和牛頓的中間，所以作為科普一般都會(huì)略過(guò)笛大神，不過(guò)要是講到科學(xué)史，或者是哲學(xué)，那笛卡爾就是一個(gè)非講不可得人物了。
這里就按照慣例，我們直接說(shuō)牛頓，牛頓可以說(shuō)是完全繼承了伽利略的力學(xué)規(guī)律，以及笛卡爾的哲學(xué)觀，在1687年以一本《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》發(fā)展了前人的思想，提出了牛頓力學(xué)三大定律，以及萬(wàn)有引力定律，統(tǒng)一了天地。
從牛頓的《原理》中，我們可以看到歐幾里得《幾何原本》的身影，從定義和公理出發(fā)，經(jīng)過(guò)邏輯嚴(yán)密的數(shù)學(xué)演繹，得出結(jié)論，進(jìn)而構(gòu)建整個(gè)科學(xué)體系。
因此牛頓的《原理》也就成為了后世所有理論體系的范本?！对怼烽_篇就對(duì)質(zhì)量進(jìn)行了定義，說(shuō)質(zhì)量可由密度和體積共同求出。
并且在力學(xué)第一定律中明確地給出了慣性定律的表述，一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在不受外力的情況下，將保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)。
第二定律其實(shí)是第一定律的延伸，也就是一個(gè)物體在做慣性運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，突然給它施加一個(gè)力會(huì)怎么樣？
牛頓發(fā)現(xiàn)，力會(huì)改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，產(chǎn)生一個(gè)加速度，這就是牛頓第二定律F=ma。如果這只是中學(xué)物理，這個(gè)公式就這樣了，看起來(lái)很簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)一步描述。
但是我們講的是相對(duì)論，所以我們要重新認(rèn)識(shí)一下這個(gè)公式。
這里的加速度a是速度的變化率，是速度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，也就是在某個(gè)無(wú)窮小的時(shí)間內(nèi)的速度。可以說(shuō)當(dāng)時(shí)沒幾個(gè)人可以算出a的大小，因?yàn)槲⒎e分是牛頓發(fā)明的，專門用來(lái)求解瞬時(shí)速度的問(wèn)題。
牛頓還發(fā)現(xiàn)，相同大小的力施加在不同的物體上，產(chǎn)生的加速度卻不一樣？這是為何？你可能會(huì)說(shuō)，這是質(zhì)量不一樣，這是中學(xué)老師的說(shuō)法。背后的真實(shí)原因，非常的深?yuàn)W。
牛頓認(rèn)為這是慣性的原因，物體所具有的慣性總是傾向于讓它保持原先的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。慣性小，物體對(duì)力的反應(yīng)就大，慣性大，對(duì)力的反應(yīng)就小。
慣性的大小，可以通過(guò)“慣性質(zhì)量”來(lái)衡量，所以慣性質(zhì)量的定義是，改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的難易程度，或者說(shuō)是一個(gè)物體抵抗外力的能力。
可以看出，F(xiàn)=ma中的其實(shí)是慣性質(zhì)量，跟我們常說(shuō)的質(zhì)量，也就是引力質(zhì)量完全不同，它倆并不是一個(gè)東西，慣性質(zhì)量是抵抗力的能力，而引力質(zhì)量是產(chǎn)生引力的原因。
至于它倆為何相等，至今是個(gè)未解之謎，而且關(guān)于慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量之間的關(guān)系，會(huì)一直延續(xù)到廣義相對(duì)論。這個(gè)我們后面還會(huì)詳細(xì)地說(shuō)到。
根據(jù)上面的描述，可以看出，第一定律其實(shí)就是第二定律的一個(gè)特殊情況，也就是當(dāng)力消失了以后，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。所以牛頓還從第二定律中窺見了物體下落的原因，很顯然物體是受到了某種力的作用，才有了自由落體運(yùn)動(dòng)，不然按照第一定律，物體應(yīng)該勻速直線運(yùn)動(dòng)或者靜止在半空中。
因此牛頓在尋找這種力的時(shí)候，就發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力，并給出了一個(gè)簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)描述，引力的大小跟質(zhì)量成正比，這里的質(zhì)量就是引力質(zhì)量，跟距離的平方成反比。
所以第一定律和第二定律可以說(shuō)是整個(gè)牛頓力學(xué)的核心，那么最關(guān)鍵的問(wèn)題來(lái)了，這兩個(gè)定律在何種情況下成立？
慣性系！伽利略的相對(duì)性原理都說(shuō)了，力學(xué)定律在慣性系下形式保持不變。那么什么是慣性系？
在不受外力的情況下，靜止或者做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系就是慣性系，那么不受外力是什么意思？就是在參考系中靜止，或做勻速直線運(yùn)動(dòng)。
發(fā)現(xiàn)沒有，這里存在一個(gè)循環(huán)論證的問(wèn)題，我們用不受力定義慣性系，又用慣性系定義不受力，這種循環(huán)論證，說(shuō)明了慣性系在理論上根本無(wú)法定義。
而且，我們?cè)趯?shí)踐中也根本找不到所謂的慣性系，地球在轉(zhuǎn)動(dòng)，很明顯的科里奧利力可以讓我們知道地球在轉(zhuǎn)，不僅如此，太陽(yáng)在轉(zhuǎn)，銀河系在運(yùn)動(dòng)，根本就沒有慣性系。
那么沒有所謂的慣性系，也無(wú)法對(duì)慣性系進(jìn)行定義，那么現(xiàn)實(shí)中存在的都是受力的非慣性系，那牛頓第二定律就不成立，只在理想狀態(tài)下成立。
牛頓力學(xué)連成立的基礎(chǔ)都沒有，怎么辦？這難不倒牛頓，在他的《原理》中，牛頓對(duì)空間做了如下的定義：絕對(duì)的空間，其自身特性與一切事物無(wú)關(guān)，處處均勻，永不移動(dòng)。
牛頓描述了一個(gè)絕對(duì)靜止的空間，因此絕對(duì)空間就成為了一個(gè)遍布全宇宙的，完美的慣性參照系。那么相對(duì)于絕對(duì)空間靜止，做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系，就是一個(gè)慣性系。
而相對(duì)于絕對(duì)空間做變速運(yùn)動(dòng)的參照系，就是一個(gè)非慣性參照系。這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的定義，就讓牛頓力學(xué)有了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，可以區(qū)分慣性系和非慣性系。
在慣性系中牛頓力學(xué)成立，在非慣性系中，牛頓為了彌補(bǔ)自己理論的缺陷，就假想出了一個(gè)慣性力，有了慣性力的加入，牛頓力學(xué)就可以非慣性中成立了。
那么什么是慣性力？為什么要假象一個(gè)慣性力？
舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，在一列勻速直線運(yùn)動(dòng)的火車上，你的桌子上放了一個(gè)小球，這時(shí)火車突然以加速度a向前提速，這時(shí)你就會(huì)看到小球以加速度a向后滾動(dòng)。
但是按照牛頓力學(xué)的分析，小球只受到了重力和桌面的支撐力，為何小球會(huì)突然以加速度a向后滾動(dòng)，牛頓力學(xué)在非慣性系中就遇到了困難。
這時(shí)只能假象有一個(gè)向后的力作用在了小球的身上，這個(gè)力的大小和火車的加速度跟小球的慣性質(zhì)量有關(guān)，所以就叫慣性力。
如果火車一直以a加速的話，那么這個(gè)慣性力會(huì)一直存在。慣性系雖然是假象出來(lái)的，但是這個(gè)力對(duì)物體的作用真實(shí)有效。
好了，今天的內(nèi)容就到這里。下節(jié)課，我們說(shuō)牛頓如何證明絕對(duì)空間的存在，他構(gòu)想出了著名的水桶實(shí)驗(yàn)，至今無(wú)解。
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