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牛頓與引力:超距作用與即時性


牛頓與萊布尼茨之間的爭議除了微積分方法孰先孰后,再有一點就是關(guān)于牛頓引力的超距作用。即時性問題當時沒有爭議。這里僅就牛頓引力存在的超距作用問題與即時性問題展開。



1687年《原理》出版發(fā)行不久,萊布尼茨與惠更斯在接受萬有引力存在的同時,對引力不通過以太傳遞的觀點感到不可接受,認為,如果引力是通過他們主張的以太或介質(zhì)傳遞,則是正確的,否則不可接受。這一爭論一直因為牛頓學派堅持原子論與真空而持續(xù)到惠更斯(Christiaan Huyg(h)ens,1629-04-14—1695-07-08)逝世15年后,萊布尼茨等人正式提出引力理論中存在著“超距作用(acting on each other at distance)”內(nèi)涵,提出這點還是想用以指責牛頓引力實質(zhì)反以太,使“超距作用”成為后來幾百年牛頓引力不能回避的軟肋。


“超距作用”的概念是指重力或引力不通過介質(zhì)的中介而從一個物體傳到另一個物體。


其實,在發(fā)生爭執(zhí)如火如荼期間的1693年2月25日,牛頓在給本特雷的信中就已經(jīng)出現(xiàn)了超距作用(actionupon another at distance)詞組,不過牛頓是用它來反對人們對他所述引力的誤解的。牛頓堅決反對人們說重力是物質(zhì)內(nèi)在的固有的本質(zhì)的,反對說重力的傳遞機制是超距作用


讓人不可理喻的是,既然太陽引力可以通過真空傳遞到遙遠的地方,引力的超距作用就應(yīng)該存在,萊布尼茨指出的是一個科學問題,為什么牛頓及其學派卻都對這一科學問題諱莫如深?特別是科茨還專門在好友的建議下刪掉了原本序言中存在的引力超距作用意思。



顯然,超距作用不應(yīng)該成為攻擊引力傳遞的抓手,而應(yīng)該成為完善引力傳遞機制的理論。萊布尼茨為什么想以此作為批評牛頓的抓手?牛頓為什么不接受引力具有超距作用特性這一思想?難道就像愛因斯坦認為的,牛頓是希望將引力歸結(jié)為接觸力?為什么這一時代的人們不把引力傳遞具有即時性也總結(jié)出來而要遺留給后200年的人?


這很可能與牛頓自己反復做的說明相關(guān)??偨Y(jié)牛頓在其著作發(fā)行后反復向人們強調(diào)的內(nèi)容大致有這么幾點:


一是,關(guān)于重力的原因他不知道,這需要花更多的時間去考慮,不能不懂裝懂;二是,反對別人把重力是物質(zhì)固有的本質(zhì)屬性強加給他,即使是科茨也不例外;三是,牛頓從來就沒有向人們談起也沒有在文字記錄中涉及重力與時間的關(guān)系。


以第三點看,牛頓的引力與時間無關(guān),即時性也就無需說明,攻擊者也沒有拿此說事。但是,引力與時間無關(guān),引力的傳遞就應(yīng)該是即時性的。


我百思不得其解,從第二版《原理》牛頓添加“總釋”大談上帝這一點來看,人們不拿引力即時性說事,也許是因為人們普遍相信有上帝存在的原因使然,上帝不僅隨時在給時鐘上緊發(fā)條以確保時間的正常流逝,也隨時將太陽及其他物體的引力傳遞給任何物體。上帝締造了宇宙,宇宙就在它的手里,再遠的距離再長的時間,在上帝看來都是微不足道的。在牛頓的腦海里,上帝具有無數(shù)的手臂無數(shù)的眼睛無數(shù)的大腦無數(shù)的耳朵,引力就是上帝預置給自然界的。如果說引力具有超距作用,或者說引力傳遞有一定的速度,那顯然是沒有將全能的上帝放在眼里。這樣推理下去,其結(jié)果有可能是牛頓將面臨布魯諾一樣的下場(《原理》第一版因為沒有上帝的位置飽受神學派的指責,第二版才添加了對上帝的贊美)。


也許在牛頓看來,上帝具有隨時性隨空性,它無時不在無所不能,以保證世界正常運行。上帝不僅使引力的傳遞具有隨時性、各種定律的作用也具有隨時性。上帝也保證各種方程的影響因子能正常發(fā)揮作用。所以,將重力傳遞機制和那些不明內(nèi)涵交給上帝,一切就OK了。其實,人們所說的超距作用本身就含有即時性。


法國數(shù)學家、物理學家拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace,1749-1827)可能忘了他信仰上帝,他的數(shù)學本能使他提出重力的傳遞不是即時的,速度比光速大700萬倍。怎么算的?


1904年,洛倫茲(Hendrik AntoonLorentz,1853—1928)把麥克斯韋的電磁場方程組用伽利略變換從一個參考系變換到另一個參考系時,發(fā)現(xiàn)真空中的光速將不是一個不變的量,提出了洛倫茲變換,并指出光速是物體相對于以太運動速度的極限。后來,愛因斯坦把洛倫茲變換用于力學關(guān)系式,創(chuàng)立了狹義相對論。


電磁理論的發(fā)展和相對論世界到來后,愛因斯坦(Albert Einstein,1879-03-14—1955-04-18)評價說:“牛頓自己比他以后許多博學的科學家都更明白他的思想結(jié)構(gòu)中固有的弱點”。“引用那種直接的和即時傳遞的超距作用力來表示重力的效應(yīng),是同我們在日常生活中熟悉的大多數(shù)過程不相符的。對于這個反對意見,牛頓指出:他的引力相互作用定律,并不認為是最終的解釋,而只是從經(jīng)驗中歸納出來的一條規(guī)則”?!啊僖矝]有人相信直接而即時的超距作用了…”。



愛因斯坦憑什么評價說牛頓引力具有直接的和即時傳遞的效應(yīng)?難道愛因斯坦認為牛頓引力傳遞與時間相關(guān)?愛因斯坦又憑什么僅依據(jù)電磁場論就否決了牛頓引力不存在即時的超距作用?


愛因斯坦說:“麥克斯韋和洛倫茲的理論不可避免地會導致狹義相對論,狹義相對論既然放棄了絕對同時性觀念,也就排除了超距作用力的存在。由這一理論可知:質(zhì)量不是一個不變的量,而是依賴于(實際上是相當于)所含的能量。它也表明,牛頓的運動定律只能認為是對低速才有效的極限定律;它建立了一條新的運動定律來代替牛頓定律,在這條新定律里,真空中的光速是極限速度”。


從愛因斯坦與牛頓都否定引力超距作用存在這點來說,我反正是越來越糊涂了。我大腦里接受的太陽系圍繞銀核旋轉(zhuǎn)、太陽系距離銀核3.2×104光年等知識,不知道如何貫穿起來。銀核如何作用于太陽系?3.2×104光年算不算超距?還有即時性即時性即時性呢?

本文來自劉全穩(wěn)教授科學網(wǎng)博客,經(jīng)劉教授授權(quán)發(fā)表。原文鏈接地址:http://blog.sciencenet.cn/blog-630142-1000047.html

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