运动和静止的相对性与绝对性

10、运动和静止的相对性与绝对性

（1）、运动的相对性

如果一个物质系统的位置，由某一个观察者来测量是随时间而运动着，就称此系统是相对于该观察者而运动着。因此，绝对运动是没有意义的，只有相对运动才可以有意义；由某一个观察者测得是静止的物质系统，对处于另一个参考系的观察者就可能是运动着的。人们不能决定在不同时间发生的两个事件是否发生在空间的同一位置。例如，假定在火车上我们的乓乒球直上直下地弹跳，在一秒钟前后两次撞到桌面上的同一处。在铁轨上的人来看，这两次弹跳发生在大约相距100米的不同的位置，因为在这两回弹跳的间隔时间里，火车已在铁轨上走了这么远。这样，绝对静止的不存在意味着，不能像亚里士多德相信的那样，给事件指定一个绝对的空间的位置。事件的位置以及它们之间的距离对于在火车上和铁轨上的人来讲是不同的，所以没有理由以为一个人的处境比他人更优越。

Einstein说：“可惜我们不能置身于太阳与地球之间，在那里去证明惯性定律的绝对有效性以及观察一下转动着的地球。” 【2】“我们不知道有什么法则可以找出一个惯性系。可是，如果假定出一个来，我们便可以找到无数个。”【3】狭义相对性原理认为，所有惯性参考系都是完全等价的，不存在一个优越的特殊的惯性参考系；在一个惯性参考系内部做的任何物理实验都无法发现该惯性系相对任何别的惯性系的运动速度。Einstein说：“如果世界上只有一个物体存在，是不能考察它的运动的，因而只存在一个坐标系和另一个坐标系的相对运动。”【5】“取定两个物体，例如太阳和地球，我们观察到的运动也是相对的，既可以用关联于太阳的坐标系来描述，也可以用关联于地球的坐标系来描述。根据这个观点来看，哥白尼的成就就在于把坐标系从地球转到太阳上去，任何坐标系都可以用，似乎没有任何理由认为一个坐标系会比另一个坐标系好些。【6】 Einstein承认：“关联于太阳的坐标系比关联于地球的坐标系更像一个惯性系，物理定律在哥白尼系统中用起来比托勒密系统好得多。” “我们能否这样地表达物理定律，使它在所有坐标系中，既不单在相对作等速运动的坐标系中而是在相对做任何运动的坐标系中都有效呢？如果这是可以作到的，那么困难就会得到解决，那时我们边有可能把自然定律应用到任何一个坐标系中去。于是，在科学早期中的托勒密和哥白尼的争论也就变得毫无意义了。”当初爱因斯坦建立相对论时曾说过一段话：“大家知道,麦克斯韦电动力学——象现在通常为人们所理解的那样——应用到运动的物体上时,就要引起一些不对称,而这种不对称似乎不是现象所固有的。比如设想一个磁体同一个导体之间的电动力的相互作用，在这里,可观察到的现象只同导休和磁体的相对运动有关,可是按照通常的看法,这两个物体之中,究竟是这个在运动, 还是那个在运动,却是截然不同的两回事。如果是磁体在运动,导体静止着,那么在磁体附近就会出现一个具有一定能量的电场,它在导体各部分所在的地方产生一股电流。但是如果磁体是静止的,而导体在运动,那么磁体附近就没有电场,可是在导体中却有一电动势,这种电动势本身虽然并不相当于能量,但是它——假定这里所考虑的两种情况中的相对运动是相等的——却会引起电流,这种电流的大小和路线都同前一情况中由电力所产生的一样……”

(2)、运动的绝对性

伟大的科学家牛顿在《自然哲学之数学原理》中曾经描述道：“绝对运动与相对运动效果的区别是飞离旋转运动轴的力。在纯粹的相对转动中不存在这种力，而在真正和绝对转动中，该力大小取决于运动的量。如果将一悬在长绳之上的桶不断旋转，使绳拧紧，再向桶中注满水，并使桶与水都保持平静，然后通过另一个力的突然作用，桶沿相反方向旋转，同时绳自己放松，桶做这项运动会持续一段时间。开始时，水的表面是平坦的，因为桶尚未开始转动，但之后，桶通过逐渐把它的运动传递给水，使水开始明显地旋转，一点一点地离开中间，并沿桶壁上升，形成一个凹形，而且旋转越快，水上升得越高，直至最后与桶同时转动，达到相对静止。水的上升表明它有离开转动轴的倾向，而水的真实和绝对转动，在此与其相对运

动直接矛盾，可以知道并由这种倾向加以度量。起初，当水在桶中的相对运动最大时，它并未表现出离开轴的倾向，也未显示出旋转的趋势，未沿桶壁上升，水面保持平坦，因此水的真正旋转并未开始。但在那之后，水的相对运动减慢，水沿桶壁上升表明它企图离开转轴，这种倾向说明水的真实的转动正逐渐加快，直到它获得最大量，这时水相对于桶静止。因此，水的这种倾向并不取决于水相对于其周围物体的移动，这种移动也不能说明真实的旋转运动。任何一个旋转的物体只存在一种真实的旋转运动，它只对应于一种企图离开运动轴的力，这才是其独特而恰当的结果。”Newton曾提出著名的“牛顿桶实验”：如图（4 ），把一个桶吊在一根长绳上，将桶旋转而使绳拧紧，然后盛之以水，并使桶与水一道静止不动，接着将桶反转一下，桶和水将经历以下三个阶段： a ，桶和水都静止； b ，桶转水不转： c ，桶和水同步转。对于a和c ，其水相对于桶都是静止的，但可以看到水面的形状不同，假设桶内有一观察者，显然可以根据水面的形状来判断系统是否在转动，所以，绝对空间的观念是必要的。马赫当时提出反对意见“没有一个人能断言，如果桶壁增加到几英里厚时，这个实验会有什么结果”，显然，当时没有人能实现马赫的设想，但是，实事则完全支持牛顿的观点，例如从望远镜中观察到的木星很扁，科学家告诉我们，那是因为木星自转引起的。即使桶壁达到几千英里厚，其实验结果不会改变。所以：转动是绝对的。

狭义相对性原理和现代宇宙学是完全冲突的。当前比较公认的宇宙学理论，建立在宇宙学原理的基础上，即假设宇宙在空间上是均匀而且各向同性的。宇宙可以看作是密度到处都相同的流体，而星系或星系团就是组成这种流体的质点。由于均匀性和各向同性的要求，这种流体只能均匀膨胀或均匀收缩。现代宇宙学认为，在宇观范围内，存在着“宇宙标准坐标系”，典型星系或星系团在这个坐标系中是相对静止的；“宇宙标准坐标系”是优越的空间坐标系，典型星系和宇宙背景辐射对于这个坐标系均匀和各向同性；可以测量地球相对于宇宙标准坐标系的运动速度。现代宇宙学得到河外星系红移和2．7K宇宙背景辐射等大量观测事实的支持。宇宙背景辐射是美国科学家彭齐斯和威尔逊于1965年发现的。近几年的研究证实，背景辐射严格地各向同性的情况只存在于一个惯性系中，在相对它运动的任何其他惯性参考系中显示出辐射温度的方向变化。可以认为，宇宙背景辐射是宇宙标准坐标系的最好的物质体现。测量从各个方向到达地球的宇宙背景辐射温度的微小偏离，得到我们的地球穿过这个“宇宙背景”的绝对运动速度大约为400公里／秒。正是这个速度被称为“新以太漂移”。Einstein在以太问题上也曾犹豫不定。1920年，他在题为《以太和相对性原理》的演讲中说：“根据广义相对论，空间没有以太是不可思议的。实在的，在这种（空虚的）空间中，不但光不能传播，而且量杆和时钟也不可能存在，因此也就没有物理意义上的空间一时间间

隔。……因此，在这种意义上说，以太是存在的。”他甚至说到：“至于这种新以太在未来物理学的世界图像中注定要起的作用，我们现在还不清楚。”现在，面对宇宙背景辐射等实验事实，许多著名的物理学家都认为应当恢复以太假设。柏格曼认为，在宇观尺度上，相对性原理被破坏了；宇宙背景辐射只在一个独一无二的参考系中各向同性，在这个意义上，那个参考系代表“静止”。韦斯科夫认为，无论如何，观察到的2．7K辐射决定了一个各向同性的绝对坐标系；迈克尔逊和莫雷的梦想变成了现实，即找到了我们太阳系的绝对运动，不过不是相对于以太，而是相对于光子气。斯塔普认为，2．7K背景辐射定义了一个优越的参考系，利用它可以决定事件发生的绝对顺序。协同学创始人哈肯也认为，狭义相对论否定了特殊参考系的存在，但是宇宙背景辐射却成了一个绝对的参考系。罗森甚至认为，宇宙学的最新发现要求回到绝对空间的观念。北京大学理论物理研究所原所长胡宁认为，在迈克尔逊实验的零结果和以太模型之间并不存在任何矛盾；在某种意义上，前述400公里／秒的速度可以看作是迈克尔逊所要测量的地球相对于以太运动的速度。他认为，宇宙背景辐射各向同性分布所决定的坐标系可以看作是真空的静止坐标系；相对性原理的适用范围应有一定的限度。最后，我们看一看当代著名物理学家狄拉克对此作出的评论。早在1970年，狄拉克就指出：“以太观念并没有死掉，它不过是一个还未发现有什么用处的观念，只要基本问题仍未得到解决，必须记住这里还有一种可能性。” 早在20世纪60年代就受到批评，例如H.Bondi(在1962年)、P.G.Bergman (在1970年)、N.Rosen (在1971年)，他们认为在宇观尺度上SR的相对性原理被破坏，因此时惯性运动和惯性系概念已不再适用。2005年郭汉英【8】说，当今物理学要求把宇观物理和微观物理联系起来用统一规律描述，但相对性原理与宇宙学不协调；这表现在河外星系红移的发现表明宇宙现象存在优越速度，这一点早在1962年就由Bondi指出了。满足相对性原理的物理规律按说没有时间方向，但宇宙演化、膨胀却给出了时间方向。这些导致相对性原理不再成立。正如Bondi所说，宇宙学和相对论物理理论之间有明显冲突【9】]。

Einstein在1920年4月4日给莫里斯。索洛文（Maurice Solovine）的信里写过：“。。。。。。如果光以太真的存在，并且以刚体的形成充满整个空间，而所有运动都应该以它为参照系，那末我们就可以说有“绝对运动。。。。。。” 【7】在这里，Einstein提出了可以说有“绝对运动”的条件。真空介质的四条特性：（1）真空介质是宇宙空间客观存在的一种电介质。（真空介质在这里满足了Einstein提出的“真的存在”的介质的条件）。（2）真空介质具有至刚、至柔、无限、无极（均匀）的特点。它无物可以被弯曲，又无物可以产生任何改变，这也就是真空介质的至刚特点。（真空介质在这里满足了Einstein提出的“刚体的形式”的条件）真空介质可以容纳任何物质和物体，又可以被容于任何物质和物体；它可以通过任何密封而通畅无阻，又可以进入任何坚实致密的物体（或物质）无所障碍。这就是真空介质的至柔特点。（真空介质不但具有刚体的特点，还自然具备至柔的特点。至刚至柔融为一体者，唯有真空介质）。真空介质充满整个空间，在无物的空间被真空介质所充满，而在有物的空间，也包容着本来就有的真空介质。只不过物质的存在掩盖了真空介质的存在罢了，它无所不在。这就是真空介质的无限特点。（真空介质在这里满足了Einstein对“光以太”提出的“充满整个空间”的条件）。真空介质，各向同性，无所集，无所散，无以密，无以疏。这就是真空介质的无极（均匀）的特点。（真空介质，不但“充满整个空间”而且自然地各向同性，均匀）。（3）、真空介质是任何运动唯一可以参照，而且必须参照的绝对静止参考系。因为在宇宙间只有真空介质，才是绝对静止的介质。任何一种物质的介质，都是有运动的。即任何其他的物质介质，都具有不可避免的运动。这是唯物辩证法和辩证唯物论的常识告诉我们的。（真空介质在这里满足了Einstein对“光以太”提出的“所有运动都应该以它为参照系”的条件）。（4）、麦克斯韦的电磁场理论证明：电磁波包括光波，在真空介质中的传播速度是光速c。即光在真空介质中以恒值c的速度传播。这一事实说明了真空介质作为一种介质，它的稳定性是可信赖的，这

一事实也说明真空介质作为绝对静止参考系是能经锝起光波传播的检验的。

哲学家罗素就对相对性原理提出过疑问：“如果一切运动是相对的，地球旋转假说和天空回转的假说的差别就纯粹是辞句上的差别；大不过象“约翰是詹姆斯的父亲，詹姆斯是约翰的儿子”之间的差别。但是假如天空回转，星运动的比光还快，这在我们认为是不可能的事情。不能说这个难题的现代解答是完全令人满意的，但是这种解答已让人相当满意，因为几乎所有的物理学家都同意运动和空间纯粹是相对的这个看法。” 【4】唯物辩证法认为运动是绝对的，静止是相对的，具有一定的局限性。从绝对时空观来看，地球和太阳之间存在相对运动，但太阳相对地球的运动和地球相对太阳的运动是不等价的。太阳相对地球的运动是表面现象，真正的运动是地球绕太阳转动的这种运动，所以，哥白尼系统是属于绝对时空观的范畴。这是十分简单明了的问题。

(3)、运动和静止的相对性与绝对性原理

运动和静止是矛盾着的两个方面，运动过程中包含着静止，静止过程中包含着运动，运动和静止是相互包含的。从位置的固定性和非固定性上、从事物质的稳定性和非稳定性上、从运动形式的单一性和多样性上看，运动既是无条件的、永恒的，又是有条件的、暂时的，因而运动既是绝对的、标准的，又是相对的；静止也既是无条件的、永恒的，又是有条件的、暂时的，因而静止既是绝对的、标准的，又是相对的。运动和静止都是绝对与相对的统一。【1】

参考文献：

【1】王存臻、严春友著.《宇宙全息统一论》山东人民出版社1995年版

【2】Einstein和英费尔德著周肇威译.《物理学的进化》112页上海科学技术出版社1962年

【3】Einstein和英费尔德著周肇威译.《物理学的进化》119页上海科学技术出版社1962年

【4】罗素著马德元译《西方哲学史》下卷第60-61页商务印书馆1982年

【5】Einstein、英费尔德,1962，物理学的进化（中译本）, 上海科学技术出版社。155页【6】Einstein、英费尔德,1962，物理学的进化（中译本）, 上海科学技术出版社。155页-156【7】Einstein文集117页

【8】郭汉英. 爱因斯坦与相对论体系[J]. 现代物理知识，2005，22~32

【9】Bondi H. Physics and Cosmology[J]. Observatory, 1962, 82: 133~138