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我们可以将太阳、地球，或者任意某点取作太阳系的中心。 尽管人们时常说哥白尼证明了托勒密是错的，但那不是真的。人们可以利用任一种图像作为宇宙的模型，对于我们天空之观测，既可从假定地球处于静止，也可从假定太阳处于静止得到解释。 方舟子博士因“能不能取地球参考系，说太阳绕地球转”这一问题，与网友激辩多天。方舟子博士对此持反对观点，他认为我们不能够取非惯性系对物体运动进行描述。此事已在拙文《运动的相对性只适用于惯性系吗？——兼谈方舟子博士的物理水平》（后文简称《方舟子的物理水平》）中做了评述。该文在牛顿力学的框架内，对此问题做了探讨。文章大意如下： 1. 从运动学的角度来说，由于运动的相对性，我们既可以选太阳参考系，说地球绕太阳转，也可以选地球参考系，说太阳绕地球转。要注意的是，在平时不太严谨的叙述中常常将参考物、参考系、坐标系等名词混用，这样做有时候问题不大，有时候则需要再做进一步阐明。所谓“地球参考系”可以有不同的取法，我们可以让坐标系跟着地面一起自转，这样的话太阳每天绕地球一圈，正如我们日常所见那般；也可以选取无自转的坐标系，如此则太阳一年绕地球一圈；甚至可以让一根坐标轴始终指向太阳，这样的话太阳就不会围绕地球转（这个坐标系并不是惯性系，它以一年为周期缓慢旋转）。太阳参考系也一样，我们将坐标原点取为太阳中心，这个坐标系可以旋转，也可以不转。本文中我们用“地面参考系”来表示跟随地面一起转动的坐标系，“地球参考系”表示不转动的坐标系，“太阳参考系”则一概指不含旋转的坐标系。 2. 从动力学角度而言，在牛顿力学中，物理规律只在惯性系中成立，故而惯性系要优于非惯性系。太阳参考系比地球参考系更加接近于惯性系，因此在建立太阳系模型时，我们习惯上选用太阳参考系，在这个参考系中我们可以借助万有引力来解释行星的运动。不过要明确的是，惯性系更优越不代表我们不能取非惯性系讨论动力学问题（在非惯性系中，引入假想的惯性力，则牛顿第二定律依旧成立），更不代表我们不能在非惯性系中对运动进行描述、或者说非惯性系中观测到的物体运动是“虚假”的。非惯性系中对运动的描述与惯性系同样真实，你面对着月亮，转过半圈之后，月亮就“真实”地处于你的后方，这绝非幻觉。 3. 方舟子博士混淆了“运动的相对性”和“相对性原理”两个概念，错误地认为“在经典力学和狭义相对论中运动相对性只适用于惯性参考系”，并将此作为不承认地球参考系观测结果的理论依据。顺便说一下，方舟子博士的这句表述本身也是有问题的，相对论其实包含在经典力学之中。这是对学科分类的不了解所致，算不上什么大错，笔者无意抓住这种错误做文章，因此之前没有去指正；笔者在做类似的表述时一直用的是“牛顿力学”。 《方舟子的物理水平》一文发出后，方舟子博士陆续做了一些回应，无非东拉西扯、歪曲造谣，丝毫不涉及笔者文章的主旨，倒是进一步暴露了方舟子博士知识的不足，如方舟子博士其实连只涉及惯性系的运动相对性也没能理解等等。对于方舟子博士的回应，笔者一一做了回复，读者可参阅《再谈运动的相对性——兼评方舟子博士的回复》《旋转坐标系中运动的物体会超光速吗？——再评方舟子博士的回复》《参考系能任意选取吗？——三评方舟子博士的回复》，本文不再赘述。 《方舟子的物理水平》一文是在牛顿力学的框架下写的，惯性系在牛顿力学中具有优越的地位，这一点在狭义相对论中依旧如此。然而这却引出了一个问题：到底什么样的参考系才是惯性系？地面上的实验室参考系是我们研究物理问题时常用的参考系，它很接近惯性系，但由于地球在自转，因而不是严格的惯性系。太阳参考系相比之下更接近于惯性系，然而太阳在银河系中公转，它也不是严格的惯性系。甚至银河系也不是严格的惯性系——由于星系间的万有引力作用，银河系必然也有加速度。 这就是所谓的“惯性系疑难”：在表述物理规律时，惯性系具有优越的地位，然而由于万有引力的存在，自然界中似乎找不到一个真正的惯性系。 通过对惯性系疑难的思考，爱因斯坦最终提出了广义相对论。广义相对论是一个宏大的理论，本文只提与当前讨论相关的两点： 1. 引力不是力。牛顿力学通过引入万有引力来解释苹果为何下落、行星为何绕日运动，而这些现象在广义相对论中有了另外的诠释。广义相对论不再将万有引力视作为真实的力，这样一来，人们对惯性系的观念也相应发生了变化。考虑站在地面上的观察者，在牛顿力学中，他受重力和地面支持力，二力平衡，因此他是惯性系。但在广义相对论中，他只受支持力这一个真实的力作用，具有向上的加速度（与此同时地面也有向上的加速度，因此人和地面之间相对静止），他的参考系是加速系。（各处地面均有向“上”的加速度，“上”的方向不同，地面却相对静止，地球保持为球形，这正是时空弯曲的体现。）再考虑一个自由落体物体，它只受万有引力作用而往下掉落。按照牛顿力学分析，它受万有引力作用做加速运动，该物体的参考系是加速系。但在广义相对论中，引力不是力，该物体实际上在做惯性运动，它的参考系是惯性系。再比如说，让我们取（不转动的）地球参考系。在牛顿力学中，由于地球受到太阳引力而公转，可知此参考系并非惯性系。但在广义相对论中，地球是在做惯性运动，因此，地球参考系也是惯性系。太阳参考系，银河参考系等等，因为同样的理由，它们都是惯性系。总之，由于广义相对论中不将引力视作为真实的力，惯性系疑难就轻而易举地得以解决了。 2. 牛顿力学和狭义相对论中的“相对性原理”告诉我们，物理规律在惯性系中具有相同的形式，但在非惯性系中则不然。因此，惯性系具有特殊的地位。而爱因斯坦将之推广成了“广义相对性原理”，即：任意参考系在表达物理规律时都是等价的。换句话说，在广义相对论中，惯性系的优越性不复存在。 引入广义相对论会对当前问题的讨论带来一些变化。 1. 首先，正如上面已经提到的，在广义相对论框架内，地球参考系（不随地面转动）和太阳参考系一样，也是惯性系。略提一句，在弯曲时空中只能取所谓的“局部惯性系”，而无法取“全局惯性系”，对地球参考系和太阳参考系而言都是如此。弯曲时空中的参考系概念变得复杂，本文不打算对“局部”“全局”展开解释。总而言之，在广义相对论中，就“惯性系”角度而言，地球参考系和太阳参考系不再不平等了。 2. 其次，即使考虑随地面转动的参考系，它不是惯性系，但由于广义相对性原理，它和太阳参考系也是平权的。 广义相对论很难，但此处涉及的知识相对基础，许多爱好科学的网友通过科普多少对这些知识有所了解。确实，网友在与方舟子讨论时也提到了广义相对论。但方舟子是如何回应的呢？ 舟子讥讽“把爱因斯坦气活” 方舟子显然不信网友所说的，讥讽道扯上广义相对论“得把爱因斯坦气活过来不可”。 又一次提到广义相对论 方舟子又一次提到广义相对论，依然用了“扯”字。很明显，他对在广义相对论框架内说“太阳绕地球转”嗤之以鼻，讥讽道“看物理要强到什么程度才能说太阳绕地球转”。 坦率地讲，这里真的没有涉及太过高深的知识，给方舟子上课不需要“物理强到什么程度”。问题在于一般人说的方舟子根本听不进去。普通网友的言论方舟子会摆出“资格论”拒而不听，北大物理系毕业的网友给方舟子讲解，方舟子也嗤之以鼻，反而让人家去中科大生物系重修物理。确实，这符合方舟子的一贯作风：拳打施一公、脚踢潘建伟，纵如美国科学院院士文小刚教授这样的当代物理大家谈论物理前沿课题，方舟子驳斥起来也毫不在话下。没办法，我们只好诉诸权威——阿尔伯特·爱因斯坦，看看他是怎么说的。下面的截图取自他和英费尔德合著的《物理学的进化》一书，从几个角度辨析了太阳和地球的运动。 运动学的观点：任何参考系都可以用 首先这一段，是从运动学角度来说的。爱因斯坦明确说，“因为运动是相对的，任何参考系都可用”。然而既然如此，为什么我们现在建立太阳系模型时，要把太阳放在中心呢？“似乎没有什么理由认为一个坐标系会比另外一个好些”，确实，从运动学角度得到的结论就是如此。由这一句话，引出后面对动力学的讨论。 动力学的观点：惯性系更优越 在动力学中（牛顿力学和狭义相对论框架内），惯性系具有优越的地位，“惯性”这个概念亦具有绝对的意义。一个物体是否有加速度、加速度多大，取决于我们选取的参考系，但它是否在做惯性运动，这一判断并不依赖于参考系的选取。因此，从动力学角度而言，太阳参考系更为优越，我们因而习惯于选取太阳参考系建立太阳系模型，并说“地球绕太阳转”。然而惯性系的优越性又导致了所谓“绝对运动的困难”：如文中所说，惯性系更优越，从某种角度而言，似乎使绝对运动又有了意义。这一困难引出了下文的讨论，爱因斯坦借此将广义相对论引入了读者的视野之中。 广义相对论：任意坐标系都平权 由于写作的需要，这几段话爱因斯坦先介绍了广义相对论所能解决的问题，再提出“广义相对论”这个名词。在广义相对论中，即使从动力学角度来看，惯性系也不再具有优先的地位，因此任意选取的坐标系都是平权的。妙的是，在这里，爱因斯坦仿佛预见到了方舟子博士想不通这个问题似的，为了不给方舟子博士狡辩余地，明确给出了他对日—地运动问题的观点： 我们应用任何一个坐标系都一样。“太阳静止，地球在运动”，或“太阳在运动，地球静止”，这两句话，便只是对两个不同坐标系的两种不同习惯的说法而已。 我们再回到整个事件的起因，争论始于chang网友的发言：“严格说，地球绕着太阳转，还是太阳绕着地球转，完全取决于坐标系的选择。”（“严格说”三字表明该网友无意否定“太阳绕地球转”的小学生常识，只是想从更高的角度做下补充。）和爱因斯坦的话不完全一样，不过实在也差不太多。方舟子直接讥刺道：“真有傻子把自己当聪明人的。”他以为自己只是骂一个无名之辈“傻子”，恐怕万万没想到，这一下连爱因斯坦也一起骂上了。方舟子博士，到底是你傻还是爱因斯坦傻呢？面对提及广义相对论的网友，方舟子博士说：“又扯上广义相对论了，得把爱因斯坦气活过来不可。” “再扯扯广义相对论，看物理要强到什么程度才能说太阳绕地球转。”方舟子博士无非是想抬出爱因斯坦来狐假虎威一般，可是真是不幸，似乎爱因斯坦自己也担心被气活过来，特意在八十年前就“扯扯广义相对论”，给出了这般回应。方舟子博士曾在《“穿越”时空为什么不可能》一文中语破天惊地科普道：“根据狭义相对论，如果速度超过光速，时间将变为负数。”这一刻，方舟子博士突破了光速，穿越了时空，对八十年前的爱因斯坦进行了对话，骂他是“傻子”。这真是伟大的奇迹啊！ （注：方舟子博士在《“穿越”时空为什么不可能》一文中科普的“根据狭义相对论超过光速时间变负”云云当然是错的，这是个低级且外行的错误。在科学公园老师的指教下，方舟子博士曾对这句话做过改动，然而积重难返，修改之后仍然是错的，详见米娜露莎网友所写的《科普者的错误》。面对依旧存在的错误，方舟子博士一不认错，二不做声，却听任谬种流传，甚至将此文收入《方舟子自选集》中，并由金主出资四处赠送书籍，贻害中小学生。按照方舟子博士自己的标准，光这件事情就足以证明他已经失去了科普资格。） 网友评论： 1. 爱因斯坦都预见到方舟子会在一个世纪后扯他的相对论，不得不白纸黑字写下驳斥方舟子谬论的观点。 2. 爱因斯坦一定是个方黑！ |
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来自： hercules028 > 《自然科学、现代科技、科学知识》
