书城自然物理:在辉煌的历史里
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第12章 认识力的运动与静止

参考坐标的选取适当与否,对解决运动学和动力学中的问题是很重要的。在物体的动、静状态中,内力或外力起着决定性作用。选取不同的坐标就有不同的运动结论。我国古代关心的运动学问题的核心,其实就是如何选取坐标。古人的动静观是在实践中完善、确立和发展起来的,标志着古人认识水平的逐步提高。

有一个楚国人乘船过江,他身上的佩剑不小心掉落江中。他立即在船舱板上做记号,对他的船友说:“这是我的剑掉落的地方。”

到了河岸,船停了,这个楚国人从他刻记号的地方跳到水里去寻找剑。船已经行驶了,但是剑没有移动,像这样寻找剑,不是很糊涂吗!

这个故事出自先秦时期杂家吕不韦的《吕氏春秋·慎大览·察今篇》。刻舟求剑反映出来的是一种以静止、孤立、片面的方式看待问题,同时反映了古人对物理概念运动和静止的认知。

从物理意义上讲,从静止到运动、由运动到静止,或者速度大小或者方向变化,都叫“状态改变”。其改变的原因,就是因为物体受到了力的作用。换言之,力决定了物体的动、静状态。

故事中楚国人没有看到舟、水与剑的辩证关系,没有看到事物是运动发展的,只是简单性地看到舟与剑的位置是相对固定的。没看到水流的变化使船一直在前进,故舟与剑的关系也一直处于变化当中,所以这是一种错误的看待事物的方式。

从故事编纂者吕不韦的口气看,他是知道怎样找到掉落江中的剑的。用他的方法找到这把剑,从物理角度看有以下几种:

一是,记下掉落位置离岸上某标志的方向和距离。这就是说,以河岸作为参考坐标。

二是,在船不改变方向和速度的情况下,记下剑掉落时刻、船速和航行时间,据此求出靠岸的船和剑掉落地点的距离。这就是说,以船作为参考坐标。

在物理学上,决定空间位置或物体运动与否必须有一个参考系。没有这个参考系,不清楚参考坐标的人,就像“刻舟求剑”一样糊涂。正如《淮南子·齐俗训》所说:东家谓之西家,西家谓之东家,连古圣皋陶都不能断定是非。

事实上,类似于船、河岸和水三者之间谁在运动,以及天和地、月和云谁在运动等问题,是古代人最关心的运动学问题。这里既涉及参考坐标的重要性,也和相对运动问题有关。

对于运动与静止的问题,曾经几乎同时困扰了古代东西方的哲人。古希腊亚里士多德曾经提出,停泊在河中的船实际上处于运动之中,因为不断有新水流和这船接触。“不能同时踏进同一条河”的命题就是由此而来的。而我国古人以自己的思考方式回答了运动与静止的问题。

针对“刻舟求剑”,晋代天文学家束皙认为,运动着的船实际上是不运动的,如果过江时一直保持船和河岸垂直指向对岸,船和河床的相对位置就不改变。把参考坐标取在过江线或河床上,这时就得出“水去而船不徙”的结论。

束皙的另一种看法是,让船和水同速漂流,把参考坐标取在整个水流上,船对于水也不发生位置移动。

由于参考坐标的关系,原来不动的物体都成为运动的了。这并不奇怪,也不是令人惊奇的,这些极其典型的相对运动的事例,很早就为我国文人所注意,并成为他们笔下的力作佳句。

束皙曾说:“仰游云以观月,月常动而云不移。”晋代葛洪说:“见游云西行,而谓月之东驰。”南朝梁元帝萧绎的诗《早发龙巢》提到在行船舱板上人们的感觉说:“不疑行舫动,唯看远树来。”敦煌曲子词中有句:“看山恰似走来迎。”

然而,古代人在判断“天”和“地”的相对运动时,并不像上述事例那么简单明了。在古代人看来,“天左旋,地右动。”也就是说,以天上星体的东升西落来证明地的右旋运动。

汉代王充在《论衡·说日篇》中提出了另一种看法:日月实际上是附着在天上做右旋运动的,只是因为天的左旋运动比起日月星体的右旋运动来要快,这才把日月星体当成左旋。

这种情形就像蚂蚁行走在转动着的磨上,人们见不到蚂蚁右行,而只看见磨左转,因此以为蚂蚁也是左行的。这就是著名的“蚁旋磨”理论。

西汉时期学者扬雄《法言义疏》记载:“譬之于蚁行磨石之上,磨左旋而蚁右去,磨疾而蚁迟,故不得不随磨以左回焉。”

《晋书·天文志》中曾经用相对运动的思想解释天象:“天旁转如推磨而左行,日月右行,随天左转,故日月实东行,而天牵之以西没。譬之于蚁行磨石之上,磨左旋而蚁右去,磨疾而蚁迟,故不得不随磨以左回焉。”

我们暂且不管《晋书·天文志》中“天”指的是什么,是否在运动,仅从物理学看,“蚁旋磨”理论思想是高明的,表明古人不仅看到了相对运动,而且还试图以相对速度的概念来确定运动的“真实”情况。

在历史上,许多人参加了这场左右旋的争论。至宋代,由于理学大师朱熹的名气,他所坚持的“左旋说”又占了上风。这场争论,长达2000多年。直至明代,伟大的律学家朱载堉作出物理判决之后,还争论未了。

朱载堉说:“天和地、人和舟、蚁和磨、快慢二船、良驽二马,如果没有第三者作为参考坐标,就很难辨明它们各自的运动状态。”

从物理学看,两个彼此做相对运动的物体A和B,既可以看做A动B不动,也可以看做B动A不动,这两种看法都没有问题。若要争论它们的运动方向或谁动谁静,那真是千载不决之疑。

朱载堉的回答完全符合运动相对性的物理意义。然而,朱载堉不明白,即使飞到日月旁,也不能“辨其左右”,而只能回答“似则皆似矣”。

以相对运动的观点来解释天地的运动,在古代的东西方都是一致的。但像朱载堉那样对相对运动作出物理判决的人,在西方只有比朱载堉稍后的意大利人伽利略算是最早的。

要解决地静还是地动的问题,关键是要提出令人信服的证据证明地动的不可觉察性。这样,才能牢固地确立地动的观念。我国古人从经验事实中总结出这一伟大的发现。

总之,我国古代提出了最古老的相对运动说法,这是我国科学史上最伟大的理论成就之一。