等效原理論文

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提要

等效原理是愛因斯坦廣義相對論理論的基本出發點，但是還有它的錯誤。牛頓力學的理論結構需要重新調整，也就是需要重新建立“公理化”體系。我的“慣性力學三定律”就是此新的公理化體系的嘗試。

一、等效原理的對與錯

有人說“等效原理”違背了力學的知識，這話不假。問題是對這個認識有兩個結果：一是全盤否定等效原理，而原來的力學知識是不可動搖的；二是這正說明了目前力學知識的局限性及不完整性，正是說明力學知識需要變革。（“等效原理”是獨立于牛頓三定律與引力定律之外的。）

從我的角度來看，等效原理所包含的客觀現象事實方面是不可否定的，是原來力學知識（牛頓力學）所沒有涉及到的客觀事實。所以，力學知識需要變革。愛因斯坦的偉大功績就在于看到了此客觀事實，且力圖變革牛頓力學的知識，從而建立了他的“廣義相對論”。愛因斯坦思想的精髓就是他在他的《狹義與廣義相對論淺說》一書中說的：“物體的同一性質按照不同的處境或表現為‘慣性’，或表現為‘重量’（字面意義是‘重性’）。”（注：讀者看一看！就連翻譯此文的譯者都回避“重性”這一詞，可見原來的力學知識的“慣性”。愛因斯坦在寫此話的時候是用加重號的，由此可見這是愛因斯坦思想的精髓。）如果說“蘋果自己落地”是由于它的“重性”，這等于白說，而愛因斯坦的偉大功績的偉大就在于把“重性”與“慣性”聯系了起來，認識到了它們是同一性質。把許多人看來是毫不相關的不同客觀現象聯系起來，認識到是同一的性質，這也許就是科學研究真正價值的最重要的體現。牛頓的偉大功績不在于“發現了萬有引力”，而是發現了“蘋果落地”現象與天體的公轉“向心加速度”屬于同一性質。我們不能怪牛頓把這同一性質歸于“引力”，因為在牛頓時代還沒有“演化”的觀念，沒有“場”的概念。牛頓作為一位嚴謹及嚴肅的科學家，僅肯定了在此問題上的自己的兩點成就：1.肯定了地球上的“重力”與天體“向心力”在性質上具有同一性；2.用數學方法表示了這個“引力”。而牛頓本人也一直懷疑“引力超距”性。然而可悲的是，牛頓以后的人們至今，還把“萬有引力”當作牛頓的偉大發現。更可悲的是，從牛頓時代至今，許許多多的人把解決引力的“超距作用”變為“直接作用”問題當作畢生的研究方向。“引力”呀！“引”無數英雄競折腰。如果說牛頓把這個“同一性質”用“引力”一詞來表達是出于他的無奈，今天的人們可以原諒他的這種無奈，然而，今天的許多人還要承認這個“無奈”是偉大的發現，且絞盡腦汁去虛構什么“微粒子”（不管是什么名稱）來實現“直接作用”，那實在是太可悲了。我想起了中世紀教會里的教士們在爭論“一個針尖上能站住幾個天使”故事，今天的人們一定覺得這樣的“研究課題”實在是沒有意義。那我也可以說，“引力為什么會超距作用”的研究課題，對于后來的人們來說，也同樣是沒有任何意義的問題。既然是“引力”，依照“對立”思維，又依然有人弄出個什么“斥力子”，那實在是更可悲了。當然，我并不掩蓋我對他們的敬意，因為他們畢竟是“舍生忘死獻身于科學事業”的人們，而不是只為自己活著的人們。?頤遣壞貌環此嘉頤僑死嗨嘉娜畢萘恕H歡么腥畢蕕乃嘉ヌ剿魎嘉娜畢藎鞘翟謔翹蚜恕N頤俏裁床蛔灰幌攣頤塹乃嘉絞劍?nbsp;

我在給我的東北師范大學物理系同一屆畢業的校友說：物體的自由下落是由于物體的“重性”，不是由于“外力”作用的結果，當然不是“地心引力”作用的結果了。此校友又說了：那為什么物體會自己“下落”？我回答道：那為什么不可以認為物體不是由于外力的原因，而由于自己的“重性”可以自己“下落”呢！有人在此會笑話我，如果物體自己下落，那我們還要研究它干嗎！是啊！僅僅如此認識還要研究它干嗎。我在上面不是說了嗎。僅僅把“自由落體”的原因歸于“重性”，不是科學。而重要的是，愛因斯坦把“重性”與“慣性”聯系了起來，認識到是同一的性質，那才是科學，才是科學的真正的價值。再下一步，就是怎樣改變原來力學知識結構的問題了。然而遺憾的是愛因斯坦有了正確的出發點，卻沒有完成改變原來力學知識結構（也就是力學理論結構的重組問題）任務。那為什么愛因斯坦沒有完成呢！當然是由于他的認識上的缺陷所造成的了，從而走了很大的彎路。愛因斯坦說卓別林的幽默能被全世界的人所理解，而卓別林說愛因斯坦的理論在這個世界上只有幾個人“理解”。依我看來，愛因斯坦的理論只有幾個人“理解”，正說明愛因斯坦本人也沒有真正“理解”，那更談不上那幾個人的“理解”了。真理應該是簡單明了的。然而遺憾的是，一些人把本來是一本“糊涂帳”的東西，自己不理解（也沒法理解）卻怪別人不理解，然后，又把它變得“高深莫測”，“高深莫測”了，才認為是真理，這是什么邏輯！愛因斯坦的“處境”（見前面的那句話）語言是非科學化的語言。而愛因斯坦對“等效原理”的“科學化”的描述，則是走向“彎路”的開始。

愛因斯坦的等效原理是一個內涵不明確，外延無限大的經驗命題，是一個很不成熟的經驗命題，是還沒有上升到理性認識（本質認識，實際上，真的達到了本質的認識，此經驗命題也就完成了它的歷史使命。）的經驗命題。許多書分別對等效原理的表述都不相同，就說明了這一點。總的來說，有兩方面的感性認識角度的內涵表述，一個是“加速度計讀數”的觀察者角度的表述；另一個是自我感覺的“失重與有重”角度的表述。而局部的“處境”則是以“升降機”、“實驗室”來表述。坐標系（參考系）“處境”角度的表述，則沒有了“局部處境性”，為了恢復這局部處境性，就用“鄰域”與小“度規”來表述。然而這都不是理性認識層次上的表述。

愛因斯坦的等效原理外延無限大的錯誤的直接后果就是光速的“等效思維實驗”。我在此不得不提出一個反例。愛因斯坦說在“自由空間”中接近光速加速直線運動的一個實驗室的壁上有一個小孔，光從這小孔射入此實驗室中。于是，此光束在此實驗室中是彎曲的。從而就“等效”出了在“引力場”中的光束也是彎曲的。于是，什么黑洞，什么引力透鏡都出來了。我也可以進行一下“思維實驗”：在此自由空間中接近光速“勻速直線運動”的實驗室里的光束，也是偏折的，如果有若干個這樣的實驗室并排作等差勻速直線運動，在這些實驗室里的光束也會是彎曲偏折的。這又怎么解釋？本來“等效原理”的本源是“低速”現象范疇。

二、否定之否定

我從19歲就決定我這一生要解決“引力”本質問題，我在1987年自認為基本上達到了我的目標，并寫了約五萬字的論文。后來我沒有機會發表我的論文，就轉入了科技發明活動。在前幾年，也就是在我“天命”之年，我有了發表我觀點的機會（見本文后面的參考文獻）。我在此網頁對我的觀點作一下補充說明。我的主要觀點的核心就是判斷物體是否處于“慣性運動狀態”（已經包含了“重性”），用感性語言來說，就是如果物體是“失重”狀態，就是“慣性運動狀態”。所以，天體的公轉運動與自由落體運動都是慣性運動狀態。靜止在地面上的物體，在水平方向也是慣性運動狀態；太空實驗室中的失重就意味著其是慣性運動狀態。靜止在地面上的物體在垂直方向上是非慣性運動狀態。

我的觀點的前提就是有兩種空間，一個是沒有重力場的空間，一個是有重力場的空間。在這兩種空間里的物體的慣性運動狀態或非慣性運動狀態基本上是相反的。僅僅涉及運動問題，當然就僅僅涉及空間與時間問題了，同時也涉及運動的相對性的問題了，接著，就涉及到參考系的問題了。然而如今的人們在空間與時間的問題上糾纏得太多太久了。空間與時間本是物質存在的“形式”，在“形式”上糾纏而浪費精力實在是犯不上。現在通常的廣泛的提法是說愛因斯坦的廣義相對論是把“引力歸于幾何性質”，這正是說反了（也是認識反了），應該是“幾何（空間與時間）被賦予了物理性質”（也就是“場”），就像我們物理學中的許多數學公式具有物理涵義一樣。要注意的是，我們認識的出發點是客觀物理世界，而不是數學公式。總想在數學公式的推導中來發現真理，在認識論上是錯誤的。有人動輒就什么依某某定律，豈不知我們“賦予”其物理意義的表達在多大的程度上是準確的，而不去深入地考慮。也就是說，我們應該注意的是，我們的數學公式在多大的程度上準確地表達了我們對“物理世界”的認識。比如：我在我的論文里說牛頓引力定律的真正的物理涵義是物體的廣義慣性力，而不是“引力”。數學公式是我們表達對“物理”意義的比較好的方式，而不是認識的出發點。我們對“物理世界”認識的變化，對其表達的數學公式也要隨之變化。比如：我在我的論文里提出了慣性力學（區別于牛頓力學）三定律，就是對原來力學基本（公理化）數學公式的改變。在我的慣性力學三定律里包含了牛頓第一第二定律，也包含了“等效原理”內涵，也包含了牛頓的“引力定律”。

在此我多說一句，物理學里的數學公式分兩種：一種是公理化（約定）公式，如牛頓三定律；另一種是經驗公式（在公理化的力學體系里，經驗公式僅具有引用的意義，不具有公理邏輯大前提的意義。）如牛頓引力定律。一般的來說經驗公式永遠是對的（有的人說“好使”），但不是無條件精確的，比如，既然引力定律如此精確，其質量無論怎么小的兩個物體之間的距離，如果小于一個距離單位，并且趨近于零，其引力值應該趨近無窮大，那么，我們就應該無法把書翻開了，在現實世界里為什么沒有此現象發生？當航天器在太陽系中“自由”運動時，出現了“不自由”的加速或減速的現象時，一般會提出這多余的“力”是哪兒來的問題。比如，先鋒十號飛船與十一號飛船有降速效應,就認為有另一種力在起作用。為什么不能認為這個問題反而說明了引力定律的經驗性、局限性及近似性，（美國科學家現在已經開始質疑牛頓引力定律了，認為引力定律有局限性了，見本文的參考文獻[6]）這個問題的提出，其思維原因是由于以引力定律為“參考系”。就像當初測量地球自轉速度后，發現時鐘有快慢的變化，這個“發現”的結論是由于以地球的自轉速度的為時間參考系了，當以時鐘為時間參考系時，才有了地球的自轉速度有快慢變化的發現。

不能認為等效原理的空間局部等效性就是科學的個別問題與次要的問題。經驗命題是對大量現象事實的歸納結果，已經具有普遍性了，作為經驗命題性質的等效原理當然也具有普遍性了。空間的局部全部與問題的個別性普遍性，是兩碼事。慣性質量與引力質量的相等性并不意味等效原理本身。而把慣性質量與引力質量的相等性當作普遍性原理，當作出發點，也就偏離了愛因斯坦的使慣性與“重性”的性質歸于統一的目標。慣性質量與引力質量的區別本身，就意味著還沒有“統一”。本是同一物體的質量卻分成兩種質量，還要用大量的精力去證明其相等，這是我們思維的過錯。問題的本質不是“質量”，而是我提出的慣性力學三定律所表明的本質涵義。

我在此把慣性的絕對性（只要是物體處于“失重”狀態，就是慣性運動狀態，而不管它是什么運動狀態）與運動的相對性分離開來，也許就是否定之否定吧。或者用黑格爾的邏輯來說，是正題（牛頓力學）反題（愛因斯坦的廣義相對論）到合題（我的認識）。

由于我把空間（賦予物理意義的空間）分為“熵”空間（已經賦予了力學物理意義的空間）與重力場空間（負熵空間），那么就必然會引出這個重力場空間的來源問題，（而不是引力造成了重力場）這是我們要解決的問題，但決不能企圖再用原來的力學知識來解決此問題。我在因特網上很高興地看到了由何沛平先生與朱頂余先生的論文（見此文后面的參考文獻），他們把地球本身的溫度梯度現象歸于“熵”減小，這就是把熱力學中的狹義“熵”的與地球的溫度梯度問題聯系了起來，這就是科學研究的價值，這就是具有發現性質的新認識。而我與何先生與朱先生在認識上的區別，就是它倆把這種“熵減”的原因歸于引力。而我是以此“熵減”（負熵）空間當作出發點，所謂的“重力現象”也是此“熵減”的體現。

三、對評論的評論

在我的第二篇之后，四川大學物理系的吳欽宏先生名為《源于三種引力假說的問題和啟示--兼與三位作者商榷》（見本文的參考文獻[4]）一文里評論了我的觀點。我在此首先說一下，吳先生的學術水平是很高的。我在一定程度上同意他對另兩位先生觀點的評論。我不怪吳先生稱我的觀點為“整題論”，因為吳先生發表評論我論文的文章時，我的第三篇論文還沒有發表。不過我在此略回答一下對我觀點的評論。

1.我所運用的“整體”一詞的涵義與吳先生不同。吳先生的“整體”仍是物理學里的物體涵義，而我的“整體”的涵義是“整體大于部分”的哲學涵義，同時也是指整體天體（不是物理學教科書中的物體涵義）。在我的《慣性力學與整體科學體系》論文里我才講了我的“整體”的涵義，我想吳先生看了我的第三篇論文就不會有什么“父與子物體”之說了吧）。吳先生說的“一大堆沙與從中取出的一小把沙是沒有本質區別的”一句話是對的。但是，作為整體天體的地球這一“物體”，把地殼從地球中取出來，與地球整體本身能沒有本質的區別嗎。

2.我在我的第一篇論文里說的只有“卡文迪許小球之間沒有引力作用”，而吳先生又說："引力常量G的測量，大致可分為地球物理學方法測量、實驗室內測量和空間測量三大類。"這些實驗測量的對象幾乎是被整體論視作無引力場的物體。這三類測量中的地球與空間測量中的“物體”都有整體天體，如地球就是整體天體，怎么能說被我視作無引力場的天體呢。只有實驗室（卡文迪許實驗）一類是我質疑的。從而就籠統地說這三類實驗無可辯駁地否定了整體論的思想（我的觀點之一），有些不妥。我認為卡文迪許的實驗應該重新審查的意見，不是憑空想來的，是由廣義慣性觀點與大山的“引力”測量事實邏輯推導出來的（見我已發表的三篇論文）。

3.吳先生承認愛因斯坦不再認為引力是一種“力”的觀點，同時又說引力的作用效應仍存在，是自相矛盾的觀點，因為“力”本身就是作用效應。引力不是一種力就意味著沒有力作用效應。

4.吳先生以“‘引力萬有’這一思想在科學研究和哲學上被完全默認了”的說法作為論據來否定我的觀點是不妥當的。因為被“默認”的觀點不一定就是正確的，比如在哥白尼時代被默認的觀點是地心說，能說地心說是正確的嗎。

5.如果以“實驗”來否定我的觀點，最好的論據是把你親自實驗的結果拿出來，在科學的歷史上以“人云亦云”的結果作為論據太多了。下一節我專門就實驗室的“引力”實驗問題作一下質疑。

但是，我對吳先生自己也認為很重要的認識，我也覺得很重要，因為吳先生說“……以使它荷感知自己存在的一種本能工具。”的這句話正是在表達一種觀點：把某些“作用”歸于屬性（就是本能）。不過吳先生在其文章的結尾處說“三種引力假說都存在著一些致命性的問題與矛盾”的結論，那吳先生文章中本身的致命性的問題與矛盾，又怎么解釋。

四、關于卡文迪許實驗問題

我沒有做過卡文迪許實驗，但我可質疑：（1）如果卡文迪斯實驗以成定論，何以在高技術的今天還有人仍在設計此實驗方案？（2）牛頓本人曾提出兩種測量方法，一是在大山旁測量的方法，二是實驗室內的方法。從十八世紀到今天有許多人用第一種方法進行了測量，其結果我在[1]文中已說過。大山的引力為零，那么比大山小得可憐的實驗室中的小球之間就有吸引效應？由于有人用地殼均衡代償假說來解釋大山的測量結果，我就提出了在小行星或火星的衛星上來測量的方案，這也是我的預測。（3）力學中的物體概念是抽象概念，而實驗中的具體物體一定是某種材料的物體，如果實驗中的小球能被地球磁場所磁化，就會有微弱的吸引效應，那是否排除了此種效應？重新做此實驗，就應該用各種材料。另外，是否是真的排除了其他各種因素（如氣流的擾動、光壓等）的干擾。（4）人的思維有一個缺陷，也就是“鄰居的斧頭”典故似的缺陷。卡文迪斯實驗結論是否也是由此缺陷所造成的？有的書中在介紹測量事實方面閉而不談大山的測量結果，有的書中雖然涉及到了，也閃爍其詞地介紹，以什么不良氣候與不知道山的密度等理由而回避其為零的測量結果。

實驗室中的物體與地球在質量上有多少數量級的差距，都會知道。而實驗室中的兩個小球在一個單位距離的引力值是多少，依引力定律也會知道。那么，這么小的引力值怎么能測出來？牛頓在當時也說過在實驗室中實驗“引力”是不可能的。

五、慣性力學三定律的物理意義

（一）慣性力學三定律

1、廣義慣性定律：物體總保持其內部的ρ均勻空間時的運動狀態。

2、廣義慣性力定律：F=kmP內

3、廣義慣性運動定律：P外－P內=1/k×a

（二）慣性力學三定律的幾種情況

1、當P外=0時，又P內=0時，F=0，a=0，這是牛頓第一定律，也就是說，在ρ均勻空間中的物體總保持其靜止與勻速直線運動狀態；

2、當P外=0時，又P內≠0時，F=ma，這是牛頓第二定律，也就是說，在ρ均勻空間中的物體要維持其加速運動狀態，則需要外力，這個外力的反作用力就是物體的廣義慣性力。

3、當P外=g時，又a=g時，P內=0，F=0，這是伽利略自由落體定律，說明自由落體運動是廣義慣性運動。也說明自由落體運動與質量因素無關。

4、當P外≠0時，又P內=0時，F=0，也就是說，在重力場中的物體總保持與重力場的強度值相對應的加速運動狀態；行星的公轉運動、彗星的運動都是重力場中的廣義慣性運動。

5、當P外≠0時，又P內≠0及a=0或a≠0時，F≠0，也就是說，在重力場中的物體要維持其靜止與勻速直線運動狀態或與重力場的強度值不相對應的加速運動狀態，則需要外力，這個外力的反作用力就是物體的廣義慣性力。

6.當P外=時（所謂的引力場強度），又a=0時，由廣義慣性力定律與廣義慣性運動定律可導出牛頓的引力定律，這時F的物理意義不是引力，而是廣義慣性力。由此可見，a=0的物理意義是指在重力場中的物體只有在其運動狀態是靜止與勻速直線運動時，物體才有“標準”重量。

7.當P外=時，又P內=0時，其物理意義是指物體在重力場內處在自由落體或“公轉”運動狀態，是處于“失重”狀態，于是，由廣義慣性力定律與廣義慣性運動定律導出==a，可見此狀態時沒有什么“引力”了。于是，以往用牛頓引力定律計算正在公轉的天體的“引力”是錯誤的。在此，也說明了我總結的慣性力學三定律包含了“等效原理”的內涵。有了本文的慣性力學三定律，等效原理也就完成了它的歷史使命。

（三）與原來習題解法的區別的例子

F與運動定律的分離說明F“直接”與P對應，而F與a的對應，則是有條件的對應，這樣才說明了其問題的本質。判別物體是否正在受到真正外力（合外力）的作用，其標準是物體內部的P（ρ梯度。具體表現為壓強梯度、脅強）的有否。原來動力學習題解法的區別：1、原來都用力的分析，而我的解法還有P矢量分析；2、我的解法是把乘以質量的力從合外力中分離出來，是物體的廣義慣性力，成為真正的合外力的反作用力。

1、例題1：放在桌子上的質量為m的物體，其動摩擦系數為μ，水平方向有一作用在物體上的外力F，求物體的加速度a.

解：設摩擦力為f，f=μmg。

①原來的解法：合外力F-f=ma，得a=（F-μmg）/m。

②我的解法：物體的廣義慣性力為ma,其反作用力是F-f，依牛頓第三定律，得F-f=ma，

得a=（F-μmg）/m。

2、例題2：一個物體的質量為m、垂直方向的加速度為a，求物體所受到的外力F。

解：①原來的解法：合外力mg-F=ma,得F=mg-ma。

②我的解法：依運動定律,g-P=a,即P=g-a,物體的廣義慣性力為f=mP=m(g-a),其反作用力是F,依牛頓第三定律,F=-f,得F=m(g-a)。

注：這兩種解法在形式上好像一樣，但在涵義上有本質的不同。以往“mg"的三種涵義，除了一種涵義（即當重力場中的物體處于靜止或勻速直線運動時，重力場強度g與物體的內P相等，這時可以乘以質量，其意義是物體的廣義慣性力即重力）正確外，此時的重力已不是物體的外力，具有物體外部空間意義的重力場強度g不能乘以質量。自由落體運動也用mg表示，也當作有外力（引力）正在作用之，也是錯誤的。我的解法在解決復雜的習題方面，將會顯示出優越性來。

五、結尾的話

在此本人有四個聲明：我在[1]文中說“引力是產生出來的”應該改為重力場是產生出來的，其涵義詳見[2][3]文；我在[3]文中的第62頁中欄上數第24行“在此軌道的最高點處與最低點處，相對地面方向，也可以物體的加速度實際為零及再用P=v2/r的角度來求解。”這句話作廢；在[3]文中的第63頁末欄上數第8行中的“火星”一詞的后面應加上“衛星”一詞；我在《科學》（科學美國人）雜志2000年第三期上發表的名為《引力與廣義力學的說明及例題》的文章聲明作廢，其原因是由于該文在印刷方面造成了許許多多的錯誤，而[3]文（《慣性力學與整體科學體系》）是此文的正式稿件。

如果我的觀點與理論成立的話，我的“成就”只有兩條：1.我提出的慣性力學三定律是對牛頓理論與愛因斯坦理論（精髓部分）的總結，是新的“公理化”公式，是力學知識新的系統組合；2.邏輯導出了只有整體天體才具有“重力場”的結論，而重力場是整體天體在其演化初期的一定階段才會產生出來的。從而提出了要探討“重力場”產生的物理機制的課題。

參考文獻

[1]馬英卓：引力是產生出來的，〈科學〉（科學美國人中文版）雜志，1998年第五期。

[2]馬英卓：引力與廣義力學、整體天體，〈科學〉（科學美國人中文版）雜志，1999年第三期。

[3]馬英卓：慣性力學與整體科學體系，《科學》（科學美國人中文版）雜志，2000年第七期。

[4]吳欽宏：源于三種引力假說的問題和啟示--兼與三位作者商榷，《科學》（科學美國人中文版）雜志，1999年第六期/7-6.htm

[5]何沛平；朱頂余/grzy/zy/hpp/123.htm

[6]美科學家質疑牛頓“萬有引力”定律/zh_cn/news/tech/154/20010518/179249.html