为什么不能用实验证明牛顿第一定律是正确的如题,我们老师说那是个经验定律,为什么?

Question

为什么不能用实验证明牛顿第一定律是正确的
如题,我们老师说那是个经验定律,为什么?

Answer 1

学史上,有许多的已被否定的理论实例,都曾似乎是永恒的真理.牛顿力学确实已被无数次观测或实验证实,如用它预言哈雷彗星的返回得到证明；用它发现了海王星和冥王星.目前天文观测和卫星发射,以牛顿力学为基础.但这些并不能证明它就是永恒不变的真理.爱因斯坦讲的好：“任意次实验都不能证明我是对的,但只要一次实验就能证明我是错误的.”行星绕太阳作公转运动,除了遵守万有引力定律外,还具有同向性,轨道共面性,公转周期都大于太阳的自转周期.牛顿对此无法解释,最后归结为上帝的安排[2].利用该模型的其它的演化说,归为不能验证的、无法重复的初始条件或偶然事件.牛顿力学无法解决引力波问题；缺乏历史性的思想,它与生物进化论、热力学第二定律相矛盾,没有体现时间单向性[3].静止电荷被电场包围,运动电荷还被磁场包围.中性物体匀速直线运动和静止为什么就一样?
1、伽利略对惯性定律的解释
伽利略接受哥白尼提出日心说,为了解决运动的地球上物体的运动问题,引入的惯性定律.支持惯性定律的实验,小球在斜面上滚落到水平板上,（如果不考虑阻力或者没有阻力）小球在水平板上将永远运动下去.另一个用理论实验来阐述的：“设想把你和你的朋友关在一只大船的舱板下最大的房间里,里面招来一些蚊子,苍蝇以及诸如此类有翅膀的小昆虫,在拿一只盛满水的大桶,里面放一些鱼；在把一只瓶子挂起来,让它可以一滴一滴把水滴出来,滴入下面的放着的另一只窄颈瓶子中.于是,船在静止不动时,我们看到这些有翅膀的小昆虫如何以同样的速度飞向房间各处；看到鱼如何毫无差别的向各个方向游动；又看到滴水如何全部落到下面所放的瓶子中,而当你把什么东西扔向你的朋友时,只要你和你的朋友距离保持一定,你向某个方向扔时,不必比向另一个方向要用更大的力.如果你在跳远,你向各个方向会跳的同样远.尽管看到这一切细节,但是没有人怀疑,如果船上情况不变,当船以任意速度运动时,这一些应照样发生.只要这运动是匀速的,不在任何方向发生摇摆,你不能辨别的出上述这一切结果有丝毫变化,也不能靠其中的任何一个结果来推断船是在运动还是静止不动.这种等价关系产生的原因是,船的运动是船中一切事物也包括空气在内的所有的,我的意思是假定这些事物都被关在房间里….”在伽利略封闭的船舱里,确实无法判断船相对地面是静止还是匀速运动!但是,从另外角度讲：
（A）船静止还是匀速运动是否可知?船长一定有方法知道船的运动状态；甲板的人、船以外的人都可以判断出船的运动状态；如果该船是由人力拉纤的,那么纤夫更能知道船的运动状态.大家都知道船是静止还是匀速运动,仅有在伽利略封闭的船舱里的人不知到.
(B)没有观测到的事件是否不发生或不存在呢?如掩耳盗铃---自己听不见,就认为铃不响；盲人看不见太阳,太阳是否就不存在呢?在伽利略封闭的船舱里,测不到船匀速运动与静止的区别,二者就真的没有区别?
（C）电磁学实验
在伽利略封闭的船舱里,做各种电磁学实验,也测不到船匀速运动与静止的区别.是否断定电磁运动符合伽利略变换,与速度无关.然而电磁学实验表明：带电体产生与速度有关的磁场.运动电荷被磁场包围.电磁运动不符合伽利略变换,符合洛伦兹变换.
何谓真理?亚里士多德：“凡以不是为是,是为不是者就是假的；凡以是为是,不是为不是者就是真的；”惯性定律把匀速直线运动与静止混为一谈,伽利略和牛顿观测到静止和匀速运动等效,许多人从其它角度观测到不同.它的客观性、真理性值得怀疑!
2惯性定律仅是条件假设
牛顿对第一定律的说明：“抛射体如果没有空气的阻力或重力向下牵引,将维持射出时的运动.驼螺各部分的凝聚力不断使之偏离直线运动,如果没有空气的阻力,就不会停止旋转.行星和彗星一类较大物体,在自由空间中没有什么阻力,可以在很长的时间,保持其向前的和圆周的运动.”牛顿并没有给出令人信服的解释.阻力的存在是客观的,不随人们的意念而变化.牛顿认为“如果没有阻力”,阻力就会没有.有谁证明太空中就一定没有阻力?阻力的存在为什么就不是客观的、普遍的规律?
按第一定律得：静止和匀速直线运动的状态混为一谈.物体仅靠初始动能就能永远运动下去!可以运动到无限远处!行星又是这样永恒不变这样运动着,那么行星一开始是如何运动的?牛顿只好求助上帝的推动.这说明牛顿力学有它非常成功的一面,也有无法克服的困难.
“一个物体,如果不受力的话,它将保持原来静止或匀速运动的状态；”
一杯热水,如果不散热的话,它将保持原来的温度状态；
一个带电体,如果匀速运动与静止一样的话,电流将不产生磁场；
上面语句的逻辑推理是一样的,牛顿的话就是“第一定律”,别的话大多是与客观事实相反的假设.这显然是不公平的.恩格斯讲的好“原则只有在符合自然界和历史的情况下才是正确的”.逻辑上符合的,或数学上符合的,不一定符合自然或客观事实.只有符合客观事实的,才是规律.
3两个体系的对话
伽利略说：“在匀速运动的车（船）上,和在静止的地面上,没有感觉什么区别.总结为惯性定律：力与速度无关”.
牛顿曰：“对.当车开动时,有向后倒的感觉；突然刹车时,有向前倒的感觉；力仅与动量的变化量成正比.车跑的快与车跑的慢,都一样；拉的多与拉的少都一样.”
亚里士多德答曰：“二位先生,只知道坐（船）车的感受,从不知拉车的苦.车跑的快,与车跑的慢,能一样吗?拉的多与拉的少能一样吗?拉车者都知道：拉的物品多,拉力就大,拉的物品少,所用拉力就小.跑的快,用力大.拉力为零,车不动.拉力与物体的动量成正比.都讲实践是检验真理的唯一标准,你们下来拉车试一试,再讲话.热能要耗散,电磁能也要耗散,为什么动能就保持不变.如果车（船）的动力系统停止运行,车船还能匀速运行乎.”“一切被运动的事物都必然是被某物所运动的”.物体运动必须有推动者,自推动或它推动.换句话说,物体匀速运动也要耗散能量,自己提供或它物体提供.
恩格斯运动观：“运动应当从它的反面,即静止中找到它的度量”.静止是相对的,是指事物在一定的条件下的相对稳定和平衡状态,是物质运动过程中的一种特殊形式.不能正确的理解静止,也就不能正确的认识运动.为此我们建立起从静止的角度描述运动的理论体系“相对静止论[4]”.电荷静止被电场包围,运动还被磁场包围.同理,静止物体被引力场包围,运动还被一个与速度有关的场包围（详见参考文献4）.
在研究过程中,得到北师大天文学家李宗伟教授、北京天文台胡景耀教授的指导和帮助,特此致谢.
参考文献：
[1] 伊萨克..牛顿著.王克迪译.自然哲学之数学原理、宇宙体系[M].武汉出版社1992,5：13～14
[2] 伊萨克..牛顿著.王克迪译.自然哲学之数学原理、宇宙体系[M].武汉出版社,1992,5：550
[3]关士续等.自然辩证法概论[M].高等教育出版社,2002,5.49～52
[4] 陈寿元.相对静止论[J].山东大学学报（工学版）,2002,32(4):396～400