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用经典力学可以解释“惯性质量”等于“引力质量” （反相系列之四） 牛顿认为质量是物质的量，它反映物体产生和接受引力的能力，可以用万有引力效应来定义：F=m引·GM /rr ，我们称“m引”为引力质量； 牛顿又认为质量与物体的惯性成正比，也就是说质量还可以看成物体惯性的量度，可以用惯性的动力学效应来定义：F=m惯·a ，我们称“m惯”为惯性质量。 至今的一切实验中，“m引”和“m惯”都是相等的，精度已高达10-12，但是，爱因斯坦认为：经典力学对于这种相等不能提供解释。 其实，只要对牛顿力学合理地打上补丁，明白了“惯性力”的起源，经典力学就完全可以对m惯 = m引 给出漂亮的解释： 笔者在《反相系列之一》中已经清晰无疑地论述了：牛顿用水桶实验并不是证明“绝对空间”的存在，而是证明了“绝对运动”的存在；又论证了牛顿水桶实验中的“水”是在相对于“地球引力场”这种物质（即“绝对处所”）作旋转，这种旋转正是牛顿定义的“绝对运动”。 在《反相系列之二》，笔者中对牛顿的“绝对运动”定义打了个补丁：【绝对处所（本征引力场）的质量中心，对于该“处所”内的物体来说，是不动的、静止的；以该不动的中心建立的参考系，称为“绝对参考系”；相对于“绝对参考系”的加速运动称为“绝对运动”。】 显然，这个补丁完全符合牛顿宇宙体系的基本框架，因为，牛顿在《原理》的“第三编、宇宙体系”中有假设1：“宇宙体系的中心是不动的。”又有命题11：“地球、太阳以及所有行星的公共重心是不动的。”现在有了这个补丁，《原理》的“假设1”和“命题11”就都可以省略了，牛顿的宇宙体系将变得更加严密！ 笔者在此文中有一个很重要的“例一”：【在一辆相对地面作匀加速直线运动的车厢内，把一个小球放置在平整光滑的地板上，用一条弹簧把此小球连接在车厢前端的厢壁上。在地面上的A观察者看来，小球受到弹簧的拉力随同车厢作匀加速直线运动，符合牛顿定律。但在车厢内的B观察者看来，弹簧上显示了读数，这就意味着小球受到了一个水平方向的作用力，但却居然处于静止状态，这显然是违反牛顿定律的。但我们可以引入一个虚拟的、假想的“惯性力”来解释这个现象，这个惯性力与弹簧作用于小球的力大小相等，方向相反，也作用在该小球上。如此一来，车厢内的B观察者仍然可以应用牛顿定律来方便地分析运动问题：小球静止的原因是受力平衡。】 这个例子证明了：只要引入“惯性力”，牛顿定律可适用于任何参考系，“惯性系”概念就是画蛇添足。 其实，牛顿本人从来没有提出过、也不需要“惯性系”这一概念。 “惯性系”概念是在牛顿去世了158年之后，由德国物理学家朗奇（L.Lange）提出来的，朗奇提出“惯性系”概念的动机是为了消除牛顿力学体系对“绝对空间”的依赖。其实牛顿力学体系是建立在“绝对处所”的基础上的，牛顿定律的“绝对参考系”是绝对处所中的“引力场”，因为牛顿终身没能找到填充在“绝对处所”中的东西，以致大家普遍把“绝对处所”和“绝对空间”混为一谈。 根据笔者对“绝对运动”的补丁以及“引力场”的不可屏蔽性，可对“例一”解释如下：车厢并非“绝对参考系”，其与本征引力场并不等效，在本征引力场中检测到的效应是小球受到弹簧的拉力而产生了一个加速度，F弹 = m惯·a ；而在车厢参考系中检测到的效应则是小球“静止不动”，小球不仅受到F弹 ，而且还受到了与其大小相等方向相反的“惯性力”—— F惯 ，这个“惯性力”并不是虚假的力，其起源是小球相对于“引力场”加速时，在“非绝对参考系”中所受到的“引力场”这种物质对小球的“作用力”。而惯性力的“反作用力”是作用在“引力场”这种物质上的。这就是“惯性力”的本质和起源。 换言之，当小球受到弹簧的拉力，在“绝对参考系”中的效应是产生了“加速度”，在“非绝对参考系”中的效应则是“引力场”对小球产生了“惯性力”。 简言之，一个“力”所产生的效应，究竟是“加速度”还是“惯性力”，要依赖所选择的参考系是否为“引力场”而定。 既然这“惯性力”是依赖“引力场”而产生的效应，自然，量度它的应是“引力质量”，因此，F惯 = m引·a’ ，（注意，并不是F惯 = m惯·a’），这里的a’是小球（或者说是车厢参考系）相对于绝对参考系的加速度，在本例中当然a’ = a ，且F弹 = F惯 ，所以m惯·a = m引·a’ ，必然推得m惯 = m引 。证毕。 可以肯定地说，惯性质量和引力质量就是同一个东西。 爱因斯坦不清楚“惯性力”的本质和起源，自然认为经典力学无法解释“惯性质量等于引力质量”。 之所以说“例一”很重要，不仅因为它：一、证明了“惯性系”概念的错误；二、破解了“惯性力的起源”这个悬疑；三、可以不用广义相对论而非常简明地解释“惯性质量等于引力质量”，还在于它：是一个比爱因斯坦的那个“升降机实验”更有普遍意义的实验。请看： 如果我们把“例一”中的车厢提到空中，让它车尾向下作自由落体运动，这就成了爱因斯坦的“升降机实验”，我们可以采用与“例一”完全相同的思维来认识“惯性力”： 在地面上的A观察者看来，小球受到重力，以重力加速度g作匀加速直线运动，但在车厢内的B观察者看来，弹簧上显示的读数为零，这就意味着小球不仅受到了重力（引力场的不可屏蔽性），而且受到一个竖直向上的且与重力大小相等的“惯性力”，这两个力相互平衡了。 这里的“重力”所产生的效应，在“绝对参考系”——引力场中，就是“重力加速度”，而在车厢内就是“惯性力”。 这样的思维，应该比爱因斯坦自认为“我一生中最愉快的思维”更愉快！因为它根本不需要“在无引力场的太空中作惯性运动”这样的臆想，“失重”并不是因为“移走了”车厢下的星球，而是“重力”被“惯性力”平衡了。 上海金标软件有限公司 |
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