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牛頓的絕對運動觀

下面,我要虛構一段牛頓在劍橋大學給物理系的新生們授課的場景。有史料表明,牛頓的講課水平爛得出奇,據說在他的課堂上,常常到第一節課結束時,座位上的學生已經寥寥無幾,牛頓只好對著空蕩蕩的教室快點把剩下的內容講完,然後匆匆回到實驗室做研究。以至於後來牛頓把每節課的時間減少到15分鐘,這樣才不至於要對著空氣講課。可見,牛頓實在不能算得上一個稱職的老師。但為了讓各位可敬可愛的讀者能堅持看下去,我盡可能地要把牛頓的這個短板補上,把課講得有趣一點。特別申明,場景和對話純屬虛構。

牛頓:「同學們,上課了!下面開始點名。Tom,ok;Jerry,ok。嗯,不錯,今天來了兩個,比昨天多了一個。今天我們要講的是時間、空間和運動。

「我們假設有一艘船正以10米/秒的速度開著(畫外音:船,怎麼又是船,我說你就不能新鮮點嗎?換個火車啥的。唉,我也不想啊,那個時代沒有火車、飛機、火箭,能開的東西不是馬車就是船,所以那會兒的物理學家一說起運動,就只能說船,但我跟你保證我們這本書的後面不但有飛機還有宇宙飛船,包你過癮)。Tom,現在我把你扔在船尾,你以1米/秒的速度朝船頭方向走動。Jerry,你站在岸上,我想問一下,Tom在你眼裡的速度是多少?Jerry,Jerry,這才剛開始你怎麼就打瞌睡了,振作點,這還有讀者呢!好吧,Jerry,看在你這麼誠懇地看著我的分上,我就不難為你了。

「我們可以利用伽利略變換式很容易地算出,在Jerry的坐標系裡面,Tom的移動速度是船的移動速度加上Tom自己走路的速度,也就是10+1=11米/秒。

「那麼,問題一:如果Jerry自己在岸上用2米/秒的速度和船做同方向運動,在Jerry眼裡Tom的速度是多少呢?問題二:如果Jerry和船做著反方向運動,在Jerry眼裡Tom的速度又是多少呢?

「我們再次利用伽利略變換,可以算出,問題一是10+1-2=9米/秒,問題二是10+1+2=13米/秒。Tom and Jerry,你們的老師我如此婆婆媽媽囉囉唆唆地問你們這些看似很無聊的問題,是希望你們能自己總結出速度合成的規律,給出速度合成的定律。怎樣,你們兩個誰先表現一下?」

Tom舉手,說:「教授,我知道了,假設A的速度是v,B的速度是u,那麼他們的相對速度w的公式是:

w=v±u

「取加號還是減號關鍵看兩個速度的方向,如果一致就取減號,否則取加號。」

牛頓:「非常好。那麼,Jerry,你同意Tom的結論嗎?」

Jerry:「我完全同意,教授。我想補充說明的是,速度到底是多少,絕對不能脫離參考系,同樣運動的物體,在不同的參考系中,速度是完全不一樣的。比如,在我眼裡Tom的速度是11米/秒,但是如果從一個站在太陽上的人眼裡看來,Tom的速度還得再加上地球繞太陽運行的速度。」

Tom:「我再補充一句,當我們說某某的運動速度是v的時候,必須先設定該速度的參考系,否則就會失去物理意義。按照這個道理,世界上也不存在絕對的速度快慢。當我站在船上,Jerry站在岸上,在船上飛舞的蒼蠅眼裡,Jerry運動得比我快;反過來,在岸上飛舞的蒼蠅眼裡,我運動得就比Jerry快。」

牛頓:「說得很好,你們兩個今天果然精神多了,有觀眾和沒有觀眾真是不一樣啊。但是接下來我要問你們一個有深度的問題了,請問,什麼東西可以做參考系?」

Tom和Jerry異口同聲:「任何東西都可以做參考系。」

牛頓:「很好,那空間本身是不是也可以做參考系?」

Tom和Jerry:「呃……這個,還真是沒想過這麼深奧的問題。」

牛頓:「請你們想像一下,宇宙中充滿了空間,宇宙延伸到哪裡,空間就延伸到哪裡。這個巨大的空間本身代表的就是宇宙的母體,處處均勻,永不移動,所有的東西,天上的星星,地上的螻蟻,我們所居住的地球都在這個空間中運動。如果把空間本身看作是一個參考系,這個參考系就是一個『絕對空間』,所有物體在這個參考系中的運動速度就是一種『絕對速度』,它們就可以比較快慢了,我們會發現,原來地球的絕對運行速度比太陽的絕對速度要快。」

Tom:「教授,您的這個思想真是太深刻了,學生佩服。」

Jerry:「可是,我還是有點無法理解。」

牛頓:「Jerry,在上帝的眼裡,我們的宇宙就像一個巨大的玻璃球,玻璃球中充滿了水,水安安靜靜地待在那裡,沒有一絲一毫的流動。太陽星辰和我們就像水中的魚兒一樣在裡面游動,魚兒感受不到水的存在,我們也同樣無法感受到空間中的某樣實體的存在。親愛的Jerry,就像水充滿這個宇宙大玻璃球一樣,我們的宇宙也被一種叫作以太的物質充滿,宇宙萬物的運動都相對於這個以太有一個絕對速度。你能理解了嗎,親愛的Jerry?」

Jerry:「是的,教授,我理解了。但是,您說的這個以太總是讓我心裡有點不安,因為它無法被我們感受到,根據我們老家奧卡姆很流行的一句話來說,似乎這樣的東西就跟沒有是一樣的。教授,您能設計一個實驗來證明絕對空間的存在嗎?」

Tom:「我說Jerry,你是不是想多了,教授是多麼偉大的人,他的思想還能有錯嗎?」

牛頓:「不,Tom,別這麼說,我可不是胡克(另一位著名的英國科學家,發現了胡克定律,也就是彈性定律。胡克與牛頓一生爭執不斷)那個小矮子,不容得別人質疑。我是站在巨人肩膀上的人,當然比胡克那個小矮子看得遠點,哈哈哈。Jerry,你提的問題很好,我已經想到了一個思維實驗來證明絕對空間的存在。」