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牛顿的绝对运动观

下面,我要虚构一段牛顿在剑桥大学给物理系的新生们授课的场景。有史料表明牛顿的讲课水平烂得出奇,据说在他的课堂上,常常到第一节课结束时,座位上的学生已经寥寥无几,牛顿只好对着空荡荡的教室快点把剩下的内容讲完,然后匆匆回到实验室做研究去,以至于后来牛顿把每节课的时间减少到15分钟,这样才不至于对着空气讲课。可见,牛顿实在不能算得上一个称职的老师。但为了让各位可敬可爱的读者能坚持看下去,我要尽可能地把牛顿的这个短板补上,把这个课讲得有趣一点。特别申明,场景和对话纯属虚构。

牛顿:“同学们,上课了!下面开始点名。汤姆,ok;杰瑞,ok。嗯,不错,今天来了两个,比昨天多了一个。今天我们要讲的是时间、空间和运动。

“我们假设有一艘船正以10米/秒的速度开着。(画外音:‘船,怎么又是船,我说你就不能换个新鲜点的吗?换个火车啥的。’唉,我也不想啊,那个时代没有火车、飞机、火箭,能开的东西不是马车就是船,所以那会儿的物理学家一说起运动,就只能说船,但我跟你保证我们这本书的后面不仅有飞机还有宇宙飞船,包你过瘾。)汤姆,现在我把你扔在船尾,你以1米/秒的速度朝船头方向走动。杰瑞,你站在岸上,我想问一下,汤姆在你眼里的速度是多少?杰瑞,杰瑞,这才刚开始,你怎么就打瞌睡了?振作点,这还有读者呢!好吧,杰瑞,看在你这么诚恳地看着我的分上,我就不难为你了。

“我们可以利用伽利略变换式很容易地算出,在杰瑞的坐标系里面,汤姆的移动速度是船的移动速度加上汤姆自己走路的速度,也就是10+1=11米/秒。

“那么,问题一:如果杰瑞自己在岸上用2米/秒的速度和船做同方向的运动,在杰瑞眼里汤姆的速度是多少呢?问题二:如果杰瑞和船做着反方向的运动,在杰瑞眼里汤姆的速度又是多少呢?

“我们再次利用伽利略变换,可以算出,问题一的答案是10+1-2=9米/秒,问题二的答案是10+1+2=13米/秒。汤姆和杰瑞,你们的老师我如此婆婆妈妈、啰啰唆唆地问你们这些看似很无聊的问题,是希望你们能自己总结出速度合成的规律,给出速度合成的定律。怎样,你们俩谁先表现一下?”

汤姆举手,说:“教授,我知道了,假设A的速度是 v ,B的速度是 u ,那么他们的相对速度 w 的公式是:

“取加号还是减号,关键看两个速度的方向,如果一致就取减号,否则取加号。”

牛顿:“非常好。那么,杰瑞,你同意汤姆的结论吗?”

杰瑞:“我完全同意,教授。我想补充说明的是,速度到底是多少,绝对不能脱离参考系,同样运动的物体,在不同的参考系中,速度是完全不一样的。比如,在我眼里汤姆的速度是11米/秒,但是如果从一个站在太阳上的人眼里看来,汤姆的速度还得再加上地球绕太阳运行的速度。”

汤姆:“我再补充一句,当我们说某某的运动速度是 v 的时候,必须先设定该速度的参考系,否则就会失去物理意义。按照这个道理,世界上也不存在绝对的速度快慢。当我站在船上,杰瑞站在岸上,在船上飞舞的苍蝇眼里,杰瑞运动得比我快;反过来,在岸上飞舞的苍蝇眼里,我运动得就比杰瑞快。”

牛顿:“说得很好,你们两个今天果然精神多了,有观众和没有观众真是不一样啊。但是接下来我就要问你们一个有深度的问题了,请问,什么东西可以当作参考系?”

汤姆和杰瑞异口同声:“任何东西都可以做参考系。”

牛顿:“很好,那空间本身是不是也可以做参考系?”

汤姆和杰瑞:“呃……这个,我们还真没想过这么深奥的问题。”

牛顿:“请你们想象一下,宇宙中充满了空间,宇宙延伸到哪里,空间就延伸到哪里。这个巨大的空间本身代表的就是宇宙的母体,处处均匀,永不移动,所有的东西,天上的星星,地上的蝼蚁,我们所居住的地球都在这个空间中运动。如果把空间本身看作一个参考系,这个参考系就是一个‘绝对空间’,所有物体在这个参考系中的运动速度就是一种‘绝对速度’,它们就可以比较快慢了,我们会发现,原来地球的绝对速度比太阳的绝对速度要快。”

汤姆:“教授,您的这个思想真是太深刻了,学生佩服。”

杰瑞:“可是,我还是有点无法理解。”

牛顿:“汤姆,在上帝的眼里,我们的宇宙就像一个巨大的玻璃球,玻璃球中充满了水,水安安静静地待在那里,没有一丝一毫流动。太阳、星辰和我们就像水中的鱼儿一样在里面游动,鱼儿感受不到水的存在,我们也同样无法感受到空间中的某样实体的存在。亲爱的杰瑞,就像水充满宇宙这个大玻璃球一样,我们的宇宙也被一种叫作 以太(Ether) 的物质充满,宇宙万物的运动相对于这个以太都有一个绝对速度。你能理解了吗,亲爱的杰瑞?”

杰瑞:“是的,教授,我理解了。但是,您说的这个以太总是让我心里有点不安,因为它无法被我们感受到,根据我们老家奥卡姆很流行的一句话来说,似乎这样的东西就跟没有是一样的。教授,您能设计一个实验来证明绝对空间的存在吗?”

汤姆:“我说杰瑞,你是不是想多了,教授是多么伟大的人,他的思想还能有错吗?”

牛顿:“不,汤姆,别这么说,我可不是胡克(另一位著名的英国科学家,发现了胡克定律,也就是弹性定律。胡克与牛顿一生争执不断)那个小矮子,不容别人质疑。我是站在巨人肩膀上的人,当然比胡克那个小矮子看得远点,哈哈哈。杰瑞,你提的问题很好,我已经想到了一个思维实验来证明绝对空间的存在。” P09b68lXyEWxo5HnatuINmIFyFxLUwmCHDL3+Zy0qwQ6/tJMYls/TNLhBdD2Voz/

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