等效原理研究论文

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提要

等效原理是爱因斯坦广义相对论理论的基本出发点，但是还有它的错误。牛顿力学的理论结构需要重新调整，也就是需要重新建立“公理化”体系。我的“惯性力学三定律”就是此新的公理化体系的尝试。

一、等效原理的对与错

有人说“等效原理”违背了力学的知识，这话不假。问题是对这个认识有两个结果：一是全盘否定等效原理，而原来的力学知识是不可动摇的；二是这正说明了目前力学知识的局限性及不完整性，正是说明力学知识需要变革。（“等效原理”是独立于牛顿三定律与引力定律之外的。）

从我的角度来看，等效原理所包含的客观现象事实方面是不可否定的，是原来力学知识（牛顿力学）所没有涉及到的客观事实。所以，力学知识需要变革。爱因斯坦的伟大功绩就在于看到了此客观事实，且力图变革牛顿力学的知识，从而建立了他的“广义相对论”。爱因斯坦思想的精髓就是他在他的《狭义与广义相对论浅说》一书中说的：“物体的同一性质按照不同的处境或表现为‘惯性’，或表现为‘重量’（字面意义是‘重性’）。”（注：读者看一看！就连翻译此文的译者都回避“重性”这一词，可见原来的力学知识的“惯性”。爱因斯坦在写此话的时候是用加重号的，由此可见这是爱因斯坦思想的精髓。）如果说“苹果自己落地”是由于它的“重性”，这等于白说，而爱因斯坦的伟大功绩的伟大就在于把“重性”与“惯性”联系了起来，认识到了它们是同一性质。把许多人看来是毫不相关的不同客观现象联系起来，认识到是同一的性质，这也许就是科学研究真正价值的最重要的体现。牛顿的伟大功绩不在于“发现了万有引力”，而是发现了“苹果落地”现象与天体的公转“向心加速度”属于同一性质。我们不能怪牛顿把这同一性质归于“引力”，因为在牛顿时代还没有“演化”的观念，没有“场”的概念。牛顿作为一位严谨及严肃的科学家，仅肯定了在此问题上的自己的两点成就：1.肯定了地球上的“重力”与天体“向心力”在性质上具有同一性；2.用数学方法表示了这个“引力”。而牛顿本人也一直怀疑“引力超距”性。然而可悲的是，牛顿以后的人们至今，还把“万有引力”当作牛顿的伟大发现。更可悲的是，从牛顿时代至今，许许多多的人把解决引力的“超距作用”变为“直接作用”问题当作毕生的研究方向。“引力”呀！“引”无数英雄竞折腰。如果说牛顿把这个“同一性质”用“引力”一词来表达是出于他的无奈，今天的人们可以原谅他的这种无奈，然而，今天的许多人还要承认这个“无奈”是伟大的发现，且绞尽脑汁去虚构什么“微粒子”（不管是什么名称）来实现“直接作用”，那实在是太可悲了。我想起了中世纪教会里的教士们在争论“一个针尖上能站住几个天使”故事，今天的人们一定觉得这样的“研究课题”实在是没有意义。那我也可以说，“引力为什么会超距作用”的研究课题，对于后来的人们来说，也同样是没有任何意义的问题。既然是“引力”，依照“对立”思维，又依然有人弄出个什么“斥力子”，那实在是更可悲了。当然，我并不掩盖我对他们的敬意，因为他们毕竟是“舍生忘死献身于科学事业”的人们，而不是只为自己活着的人们。我们不得不反思我们人类思维的缺陷了。然而，用带有缺陷的思维去探索思维的缺陷，那实在是太难了。我们为什么不转换一下我们的思维方式！

我在给我的东北师范大学物理系同一届毕业的校友说：物体的自由下落是由于物体的“重性”，不是由于“外力”作用的结果，当然不是“地心引力”作用的结果了。此校友又说了：那为什么物体会自己“下落”？我回答道：那为什么不可以认为物体不是由于外力的原因，而由于自己的“重性”可以自己“下落”呢！有人在此会笑话我，如果物体自己下落，那我们还要研究它干吗！是啊！仅仅如此认识还要研究它干吗。我在上面不是说了吗。仅仅把“自由落体”的原因归于“重性”，不是科学。而重要的是，爱因斯坦把“重性”与“惯性”联系了起来，认识到是同一的性质，那才是科学，才是科学的真正的价值。再下一步，就是怎样改变原来力学知识结构的问题了。然而遗憾的是爱因斯坦有了正确的出发点，却没有完成改变原来力学知识结构（也就是力学理论结构的重组问题）任务。那为什么爱因斯坦没有完成呢！当然是由于他的认识上的缺陷所造成的了，从而走了很大的弯路。爱因斯坦说卓别林的幽默能被全世界的人所理解，而卓别林说爱因斯坦的理论在这个世界上只有几个人“理解”。依我看来，爱因斯坦的理论只有几个人“理解”，正说明爱因斯坦本人也没有真正“理解”，那更谈不上那几个人的“理解”了。真理应该是简单明了的。然而遗憾的是，一些人把本来是一本“糊涂帐”的东西，自己不理解（也没法理解）却怪别人不理解，然后，又把它变得“高深莫测”，“高深莫测”了，才认为是真理，这是什么逻辑！爱因斯坦的“处境”（见前面的那句话）语言是非科学化的语言。而爱因斯坦对“等效原理”的“科学化”的描述，则是走向“弯路”的开始。

爱因斯坦的等效原理是一个内涵不明确，外延无限大的经验命题，是一个很不成熟的经验命题，是还没有上升到理性认识（本质认识，实际上，真的达到了本质的认识，此经验命题也就完成了它的历史使命。）的经验命题。许多书分别对等效原理的表述都不相同，就说明了这一点。总的来说，有两方面的感性认识角度的内涵表述，一个是“加速度计读数”的观察者角度的表述；另一个是自我感觉的“失重与有重”角度的表述。而局部的“处境”则是以“升降机”、“实验室”来表述。坐标系（参考系）“处境”角度的表述，则没有了“局部处境性”，为了恢复这局部处境性，就用“邻域”与小“度规”来表述。然而这都不是理性认识层次上的表述。

爱因斯坦的等效原理外延无限大的错误的直接后果就是光速的“等效思维实验”。我在此不得不提出一个反例。爱因斯坦说在“自由空间”中接近光速加速直线运动的一个实验室的壁上有一个小孔，光从这小孔射入此实验室中。于是，此光束在此实验室中是弯曲的。从而就“等效”出了在“引力场”中的光束也是弯曲的。于是，什么黑洞，什么引力透镜都出来了。我也可以进行一下“思维实验”：在此自由空间中接近光速“匀速直线运动”的实验室里的光束，也是偏折的，如果有若干个这样的实验室并排作等差匀速直线运动，在这些实验室里的光束也会是弯曲偏折的。这又怎么解释？本来“等效原理”的本源是“低速”现象范畴。

二、否定之否定

我从19岁就决定我这一生要解决“引力”本质问题，我在1987年自认为基本上达到了我的目标，并写了约五万字的论文。后来我没有机会发表我的论文，就转入了科技发明活动。在前几年，也就是在我“天命”之年，我有了发表我观点的机会（见本文后面的参考文献）。我在此网页对我的观点作一下补充说明。我的主要观点的核心就是判断物体是否处于“惯性运动状态”（已经包含了“重性”），用感性语言来说，就是如果物体是“失重”状态，就是“惯性运动状态”。所以，天体的公转运动与自由落体运动都是惯性运动状态。静止在地面上的物体，在水平方向也是惯性运动状态；太空实验室中的失重就意味着其是惯性运动状态。静止在地面上的物体在垂直方向上是非惯性运动状态。

我的观点的前提就是有两种空间，一个是没有重力场的空间，一个是有重力场的空间。在这两种空间里的物体的惯性运动状态或非惯性运动状态基本上是相反的。仅仅涉及运动问题，当然就仅仅涉及空间与时间问题了，同时也涉及运动的相对性的问题了，接着，就涉及到参考系的问题了。然而如今的人们在空间与时间的问题上纠缠得太多太久了。空间与时间本是物质存在的“形式”，在“形式”上纠缠而浪费精力实在是犯不上。现在通常的广泛的提法是说爱因斯坦的广义相对论是把“引力归于几何性质”，这正是说反了（也是认识反了），应该是“几何（空间与时间）被赋予了物理性质”（也就是“场”），就像我们物理学中的许多数学公式具有物理涵义一样。要注意的是，我们认识的出发点是客观物理世界，而不是数学公式。总想在数学公式的推导中来发现真理，在认识论上是错误的。有人动辄就什么依某某定律，岂不知我们“赋予”其物理意义的表达在多大的程度上是准确的，而不去深入地考虑。也就是说，我们应该注意的是，我们的数学公式在多大的程度上准确地表达了我们对“物理世界”的认识。比如：我在我的论文里说牛顿引力定律的真正的物理涵义是物体的广义惯性力，而不是“引力”。数学公式是我们表达对“物理”意义的比较好的方式，而不是认识的出发点。我们对“物理世界”认识的变化，对其表达的数学公式也要随之变化。比如：我在我的论文里提出了惯性力学（区别于牛顿力学）三定律，就是对原来力学基本（公理化）数学公式的改变。在我的惯性力学三定律里包含了牛顿第一第二定律，也包含了“等效原理”内涵，也包含了牛顿的“引力定律”。

在此我多说一句，物理学里的数学公式分两种：一种是公理化（约定）公式，如牛顿三定律；另一种是经验公式（在公理化的力学体系里，经验公式仅具有引用的意义，不具有公理逻辑大前提的意义。）如牛顿引力定律。一般的来说经验公式永远是对的（有的人说“好使”），但不是无条件精确的，比如，既然引力定律如此精确，其质量无论怎么小的两个物体之间的距离，如果小于一个距离单位，并且趋近于零，其引力值应该趋近无穷大，那么，我们就应该无法把书翻开了，在现实世界里为什么没有此现象发生？当航天器在太阳系中“自由”运动时，出现了“不自由”的加速或减速的现象时，一般会提出这多余的“力”是哪儿来的问题。比如，先锋十号飞船与十一号飞船有降速效应,就认为有另一种力在起作用。为什么不能认为这个问题反而说明了引力定律的经验性、局限性及近似性，（美国科学家现在已经开始质疑牛顿引力定律了，认为引力定律有局限性了，见本文的参考文献[6]）这个问题的提出，其思维原因是由于以引力定律为“参考系”。就像当初测量地球自转速度后，发现时钟有快慢的变化，这个“发现”的结论是由于以地球的自转速度的为时间参考系了，当以时钟为时间参考系时，才有了地球的自转速度有快慢变化的发现。

不能认为等效原理的空间局部等效性就是科学的个别问题与次要的问题。经验命题是对大量现象事实的归纳结果，已经具有普遍性了，作为经验命题性质的等效原理当然也具有普遍性了。空间的局部全部与问题的个别性普遍性，是两码事。惯性质量与引力质量的相等性并不意味等效原理本身。而把惯性质量与引力质量的相等性当作普遍性原理，当作出发点，也就偏离了爱因斯坦的使惯性与“重性”的性质归于统一的目标。惯性质量与引力质量的区别本身，就意味着还没有“统一”。本是同一物体的质量却分成两种质量，还要用大量的精力去证明其相等，这是我们思维的过错。问题的本质不是“质量”，而是我提出的惯性力学三定律所表明的本质涵义。

我在此把惯性的绝对性（只要是物体处于“失重”状态，就是惯性运动状态，而不管它是什么运动状态）与运动的相对性分离开来，也许就是否定之否定吧。或者用黑格尔的逻辑来说，是正题（牛顿力学）反题（爱因斯坦的广义相对论）到合题（我的认识）。

由于我把空间（赋予物理意义的空间）分为“熵”空间（已经赋予了力学物理意义的空间）与重力场空间（负熵空间），那么就必然会引出这个重力场空间的来源问题，（而不是引力造成了重力场）这是我们要解决的问题，但决不能企图再用原来的力学知识来解决此问题。我在因特网上很高兴地看到了由何沛平先生与朱顶余先生的论文（见此文后面的参考文献），他们把地球本身的温度梯度现象归于“熵”减小，这就是把热力学中的狭义“熵”的与地球的温度梯度问题联系了起来，这就是科学研究的价值，这就是具有发现性质的新认识。而我与何先生与朱先生在认识上的区别，就是它俩把这种“熵减”的原因归于引力。而我是以此“熵减”（负熵）空间当作出发点，所谓的“重力现象”也是此“熵减”的体现。

三、对评论的评论

在我的第二篇之后，四川大学物理系的吴钦宏先生名为《源于三种引力假说的问题和启示--兼与三位作者商榷》（见本文的参考文献[4]）一文里评论了我的观点。我在此首先说一下，吴先生的学术水平是很高的。我在一定程度上同意他对另两位先生观点的评论。我不怪吴先生称我的观点为“整题论”，因为吴先生发表评论我论文的文章时，我的第三篇论文还没有发表。不过我在此略回答一下对我观点的评论。

1.我所运用的“整体”一词的涵义与吴先生不同。吴先生的“整体”仍是物理学里的物体涵义，而我的“整体”的涵义是“整体大于部分”的哲学涵义，同时也是指整体天体（不是物理学教科书中的物体涵义）。在我的《惯性力学与整体科学体系》论文里我才讲了我的“整体”的涵义，我想吴先生看了我的第三篇论文就不会有什么“父与子物体”之说了吧）。吴先生说的“一大堆沙与从中取出的一小把沙是没有本质区别的”一句话是对的。但是，作为整体天体的地球这一“物体”，把地壳从地球中取出来，与地球整体本身能没有本质的区别吗。

2.我在我的第一篇论文里说的只有“卡文迪许小球之间没有引力作用”，而吴先生又说："引力常量G的测量，大致可分为地球物理学方法测量、实验室内测量和空间测量三大类。"这些实验测量的对象几乎是被整体论视作无引力场的物体。这三类测量中的地球与空间测量中的“物体”都有整体天体，如地球就是整体天体，怎么能说被我视作无引力场的天体呢。只有实验室（卡文迪许实验）一类是我质疑的。从而就笼统地说这三类实验无可辩驳地否定了整体论的思想（我的观点之一），有些不妥。我认为卡文迪许的实验应该重新审查的意见，不是凭空想来的，是由广义惯性观点与大山的“引力”测量事实逻辑推导出来的（见我已发表的三篇论文）。

3.吴先生承认爱因斯坦不再认为引力是一种“力”的观点，同时又说引力的作用效应仍存在，是自相矛盾的观点，因为“力”本身就是作用效应。引力不是一种力就意味着没有力作用效应。

4.吴先生以“‘引力万有’这一思想在科学研究和哲学上被完全默认了”的说法作为论据来否定我的观点是不妥当的。因为被“默认”的观点不一定就是正确的，比如在哥白尼时代被默认的观点是地心说，能说地心说是正确的吗。

5.如果以“实验”来否定我的观点，最好的论据是把你亲自实验的结果拿出来，在科学的历史上以“人云亦云”的结果作为论据太多了。下一节我专门就实验室的“引力”实验问题作一下质疑。

但是，我对吴先生自己也认为很重要的认识，我也觉得很重要，因为吴先生说“……以使它荷感知自己存在的一种本能工具。”的这句话正是在表达一种观点：把某些“作用”归于属性（就是本能）。不过吴先生在其文章的结尾处说“三种引力假说都存在着一些致命性的问题与矛盾”的结论，那吴先生文章中本身的致命性的问题与矛盾，又怎么解释。

四、关于卡文迪许实验问题

我没有做过卡文迪许实验，但我可质疑：（1）如果卡文迪斯实验以成定论，何以在高技术的今天还有人仍在设计此实验方案？（2）牛顿本人曾提出两种测量方法，一是在大山旁测量的方法，二是实验室内的方法。从十八世纪到今天有许多人用第一种方法进行了测量，其结果我在[1]文中已说过。大山的引力为零，那么比大山小得可怜的实验室中的小球之间就有吸引效应？由于有人用地壳均衡代偿假说来解释大山的测量结果，我就提出了在小行星或火星的卫星上来测量的方案，这也是我的预测。（3）力学中的物体概念是抽象概念，而实验中的具体物体一定是某种材料的物体，如果实验中的小球能被地球磁场所磁化，就会有微弱的吸引效应，那是否排除了此种效应？重新做此实验，就应该用各种材料。另外，是否是真的排除了其他各种因素（如气流的扰动、光压等）的干扰。（4）人的思维有一个缺陷，也就是“邻居的斧头”典故似的缺陷。卡文迪斯实验结论是否也是由此缺陷所造成的？有的书中在介绍测量事实方面闭而不谈大山的测量结果，有的书中虽然涉及到了，也闪烁其词地介绍，以什么不良气候与不知道山的密度等理由而回避其为零的测量结果。

实验室中的物体与地球在质量上有多少数量级的差距，都会知道。而实验室中的两个小球在一个单位距离的引力值是多少，依引力定律也会知道。那么，这么小的引力值怎么能测出来？牛顿在当时也说过在实验室中实验“引力”是不可能的。

五、惯性力学三定律的物理意义

（一）惯性力学三定律

1、广义惯性定律：物体总保持其内部的ρ均匀空间时的运动状态。

2、广义惯性力定律：F=kmP内

3、广义惯性运动定律：P外－P内=1/k×a

（二）惯性力学三定律的几种情况

1、当P外=0时，又P内=0时，F=0，a=0，这是牛顿第一定律，也就是说，在ρ均匀空间中的物体总保持其静止与匀速直线运动状态；

2、当P外=0时，又P内≠0时，F=ma，这是牛顿第二定律，也就是说，在ρ均匀空间中的物体要维持其加速运动状态，则需要外力，这个外力的反作用力就是物体的广义惯性力。

3、当P外=g时，又a=g时，P内=0，F=0，这是伽利略自由落体定律，说明自由落体运动是广义惯性运动。也说明自由落体运动与质量因素无关。

4、当P外≠0时，又P内=0时，F=0，也就是说，在重力场中的物体总保持与重力场的强度值相对应的加速运动状态；行星的公转运动、彗星的运动都是重力场中的广义惯性运动。

5、当P外≠0时，又P内≠0及a=0或a≠0时，F≠0，也就是说，在重力场中的物体要维持其静止与匀速直线运动状态或与重力场的强度值不相对应的加速运动状态，则需要外力，这个外力的反作用力就是物体的广义惯性力。

6.当P外=时（所谓的引力场强度），又a=0时，由广义惯性力定律与广义惯性运动定律可导出牛顿的引力定律，这时F的物理意义不是引力，而是广义惯性力。由此可见，a=0的物理意义是指在重力场中的物体只有在其运动状态是静止与匀速直线运动时，物体才有“标准”重量。

7.当P外=时，又P内=0时，其物理意义是指物体在重力场内处在自由落体或“公转”运动状态，是处于“失重”状态，于是，由广义惯性力定律与广义惯性运动定律导出==a，可见此状态时没有什么“引力”了。于是，以往用牛顿引力定律计算正在公转的天体的“引力”是错误的。在此，也说明了我总结的惯性力学三定律包含了“等效原理”的内涵。有了本文的惯性力学三定律，等效原理也就完成了它的历史使命。

（三）与原来习题解法的区别的例子

F与运动定律的分离说明F“直接”与P对应，而F与a的对应，则是有条件的对应，这样才说明了其问题的本质。判别物体是否正在受到真正外力（合外力）的作用，其标准是物体内部的P（ρ梯度。具体表现为压强梯度、胁强）的有否。原来动力学习题解法的区别：1、原来都用力的分析，而我的解法还有P矢量分析；2、我的解法是把乘以质量的力从合外力中分离出来，是物体的广义惯性力，成为真正的合外力的反作用力。

1、例题1：放在桌子上的质量为m的物体，其动摩擦系数为μ，水平方向有一作用在物体上的外力F，求物体的加速度a.

解：设摩擦力为f，f=μmg。

①原来的解法：合外力F-f=ma，得a=（F-μmg）/m。

②我的解法：物体的广义惯性力为ma,其反作用力是F-f，依牛顿第三定律，得F-f=ma，

得a=（F-μmg）/m。

2、例题2：一个物体的质量为m、垂直方向的加速度为a，求物体所受到的外力F。

解：①原来的解法：合外力mg-F=ma,得F=mg-ma。

②我的解法：依运动定律,g-P=a,即P=g-a,物体的广义惯性力为f=mP=m(g-a),其反作用力是F,依牛顿第三定律,F=-f,得F=m(g-a)。

注：这两种解法在形式上好像一样，但在涵义上有本质的不同。以往“mg"的三种涵义，除了一种涵义（即当重力场中的物体处于静止或匀速直线运动时，重力场强度g与物体的内P相等，这时可以乘以质量，其意义是物体的广义惯性力即重力）正确外，此时的重力已不是物体的外力，具有物体外部空间意义的重力场强度g不能乘以质量。自由落体运动也用mg表示，也当作有外力（引力）正在作用之，也是错误的。我的解法在解决复杂的习题方面，将会显示出优越性来。

五、结尾的话

在此本人有四个声明：我在[1]文中说“引力是产生出来的”应该改为重力场是产生出来的，其涵义详见[2][3]文；我在[3]文中的第62页中栏上数第24行“在此轨道的最高点处与最低点处，相对地面方向，也可以物体的加速度实际为零及再用P=v2/r的角度来求解。”这句话作废；在[3]文中的第63页末栏上数第8行中的“火星”一词的后面应加上“卫星”一词；我在《科学》（科学美国人）杂志2000年第三期上发表的名为《引力与广义力学的说明及例题》的文章声明作废，其原因是由于该文在印刷方面造成了许许多多的错误，而[3]文（《惯性力学与整体科学体系》）是此文的正式稿件。

如果我的观点与理论成立的话，我的“成就”只有两条：1.我提出的惯性力学三定律是对牛顿理论与爱因斯坦理论（精髓部分）的总结，是新的“公理化”公式，是力学知识新的系统组合；2.逻辑导出了只有整体天体才具有“重力场”的结论，而重力场是整体天体在其演化初期的一定阶段才会产生出来的。从而提出了要探讨“重力场”产生的物理机制的课题。

参考文献

[1]马英卓：引力是产生出来的，〈科学〉（科学美国人中文版）杂志，1998年第五期。

[2]马英卓：引力与广义力学、整体天体，〈科学〉（科学美国人中文版）杂志，1999年第三期。

[3]马英卓：惯性力学与整体科学体系，《科学》（科学美国人中文版）杂志，2000年第七期。

[4]吴钦宏：源于三种引力假说的问题和启示--兼与三位作者商榷，《科学》（科学美国人中文版）杂志，1999年第六期。/7-6.htm

[5]何沛平；朱顶余，/grzy/zy/hpp/123.htm

[6]美科学家质疑牛顿“万有引力”定律，/zh_cn/news/tech/154/20010518/179249.html