4.7 牛顿力学对人们的误导

长期以来，人们一直认为相对性原理是物理学的一个“普遍原理”，所有的物理规律都应遵守这个原理。现在我们提出引力不满足相对性原理，这意味着相对性原理并不是物理学的普遍原理。那么，为什么人们会把相对性原理看作“普遍原理”呢？作者对这一问题进行了考察，发现出现这一情况的原因是牛顿力学对人们的误导。

在牛顿力学中隐含地使用了一个假设“质量不变”，即质量是一常量，它不随速度变化。今天人们都知道这是不正确的，正确的质量公式是相对论的公式，即

从这个公式不难看出，只有当速度远远小于光速的时候，人们才可以把质量近似地看成常量，因此，牛顿力学实际上是一个近似的理论。

由于牛顿力学只是一个近似的理论，因此，由牛顿力学得出的结果中，有一些结果在物理学中并不成立。然而，由于历史的原因，当时人们并不知道牛顿力学的局限性，于是，人们便把这些结果引申推广到物理学的其他领域，从而使一些错误的结果（观念）出现在今天的物理学中。这就是牛顿力学对人们的误导。

下面我们举两个例子对这个问题进行说明。

1. 黑洞概念起源于牛顿力学的一个错误结果

1795年拉普拉斯用牛顿力学推导出了黑洞，这就是拉普拉斯黑洞。虽然用牛顿力学可以推导出黑洞，但牛顿力学的这一结果并不正确的。因为，在牛顿力学里把质量看作常数，所以牛顿力学理论只能用于低速情况，而不能用到速度大于或等于光速的情况。当年，拉普拉斯不知道牛顿力学的适用范围，他把牛顿力学理论用到了物体速度大于光速的情况，由此得出拉普拉斯黑洞这个错误的结果。今天物理学中的黑洞概念就起源于牛顿力学的这个错误。关于这一问题在本书后面我们还会详细地分析。

2. 相对性原理也起源于牛顿力学的误导

相对性原理也起源于牛顿力学，牛顿力学的两个规律：牛顿第二定律和万有引力定律，在伽利略变换下其数学形式不变，牛顿力学的这一性质被称为力学相对性原理。1905年，爱因斯坦创立狭义相对论时，把力学相对性原理推广到物理学，认为所有的物理规律都应该满足相对性原理，即物理规律从一个惯性坐标系变换到另一惯性坐标系时，其数学方程的形式不变，这就是狭义相对性原理。后来，爱因斯坦又把狭义相对性原理，推广到任意坐标系，提出了广义相对性原理。今天重新考察相对性原理，我们发现，相对性原理和黑洞一样，也是源于牛顿力学的误导。

在牛顿力学里有万有引力定律，根据这个定律可以计算宇宙中两个天体之间的引力。设m₀₁代表宇宙中某一个天体（或质点）的静止质量，m₀₂表示另一宇宙天体的静止质量，r₁₂表示它们之间的距离，根据牛顿万有引力定律，两个宇宙天体之间的万有引力为

在牛顿力学中质量是一个不变量，因此，式（4-6）中的质量m₀₁和m₀₂都是常数。如果按照推广牛顿第二定律的方法，把万有引力定律推广到相对论，需要把万有引力公式中的质量m₀₁和m₀₂都改成相对论的质量，即把式（4-6）改写为

其中，

式中：m₁代表质量为m₀₁天体在运动时的质量，该天体在宇宙中的运动速度为v₁； m₂表示质量为m₀₂天体在运动时的质量，该天体的速度为v₂。

1905年，爱因斯坦建立狭义相对论时，对称性破缺的思想还没有产生，那时的物理学家把对称性看得很重要，要求所有的物理规律都满足洛伦兹变换的协变性，而引力公式（4-7）显然不满足这一条件，因此，爱因斯坦没有把牛顿万有引力公式推广到狭义相对论。现在，我们重新考察相对论的建立的过程，不难发现，爱因斯坦当年过分地强调对称性、强调相对性原理，这实际上是爱因斯坦的一个失误。

物理学的历史表明，以往人们关于对称性的认识存在偏差，物理规律没有必要都满足对称性的要求。今天重新考察相对性原理，我们不难得出：当年爱因斯坦建立相对论的基本思想——对称性的思想，以及根据这一思想提出的狭义相对性原理和广义相对性原理。从今天的角度看，这一思想是不完善的，因为，在这一思想中只考虑了对称性，而没有考虑到非对称性，或者说对称性破缺。

换句话说，爱因斯坦把相对性原理作为物理学的一个“普遍原理”，将它凌驾于所有的物理规律之上，让物理规律都满足对称性，这实际上是爱因斯坦的一个失误。虽然，上述失误不是由爱因斯坦个人的原因造成的，而是由历史原因造成的，但这个失误的后果却是严重的。这一失误导致了爱因斯坦建立的狭义相对论是一个不完善（完整）的理论。