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。” H5wWBmejdCOL3gac6MKJ2u5Dr4nhI7tQbxZwB3yjArvYQrZvaJ7O1OTn3vRybAMi