《科学与假设(精装)》:
惯性原理既非先验真理,那它是实验事实吗?我们曾对不受力的作用的物体做过实验吗?如果做过,我们怎么知道没有力在起作用呢?我们常举的例子是一个球在大理石桌面上滚动很长时间,但我们为什么说它不受任何力的作用呢?是因为它离所有其他物体太远,以至于不受任何明显的作用吗?它离地球还不远,其距离不会超过把它自由地抛到空中时与地球的距离。众所周知,在这种情况下,由于地球的吸引,它会受到重力的影响。
力学教师通常会简略处理球的例子,但会补充说,它的推论间接证实了惯性原理。这种表述很糟糕。他们的意思显然是,我们可以用一个更一般的原理来证实各种推论,惯性原理只不过是该原理的一个特例。
我建议对这个一般原理作如下表述:一个物体的加速度仅仅取决于它和相邻物体的位置和速度。数学家会说,宇宙中所有物质分子的运动都取决于二阶微分方程。
为了说明这实际上是对惯性定律的一种自然推广,我们可以再次诉诸想象。如上所述,惯性定律并非先验地强加于我们;其他定律同样可以与充足理由律相容。如果一个物体不受任何力的作用,我们可以不假定其速度不变,而假定其位置或加速度不变。让我们暂时假定这两个假设的定律之一是自然定律,并用它来取代我们的惯性定律。它的自然推广会是什么?我们稍加思考就会明白。在第一种情况下,我们可以假设一个物体的速度只取决于它和相邻物体的位置,而在第二种情况下,一个物体加速度的变化只取决于它和邻近物体的位置、速度和加速度。或者用数学语言来说,运动的微分方程在第一种情况下为一阶,在第二种情况下则为三阶。
让我们稍微修改一下我们的假设。想象一个与我们太阳系类似的世界,但在那里,所有行星的轨道都碰巧没有偏心率或倾角;我进而假定这些行星的质量太小,它们的相互摄动察觉不到。居住在其中一颗行星上的天文学家将不得不得出结论,天体的轨道只能是圆形的,并且平行于某一平面。于是,天体在给定时刻的位置将足以确定其速度和整个轨道。他们采用的惯性定律将是我刚才提到的两个假设定律中的第一个。
现在想象有一天,一个来自遥远星座的大质量天体以极高的速度穿过这个系统。所有轨道都将受到严重干扰。我们的天文学家不会太过惊讶。他们当然会猜测,整个灾难应当归咎于这个新的天体本身;但他们会说,它一旦过去,秩序就会重建。毫无疑问,行星与太阳的距离不会恢复到灾难之前的样子,但干扰的原因一旦消失,轨道就将再次变成圆形。只有当干扰的天体已经远离,轨道被发现是椭圆而不是圆时,天文学家们才会发现自己的错误,并意识到需要重建整个力学。
我之所以详细论述这些假设,是因为在我看来,只有与相反的假设进行比较,才能正确理解我们推广的惯性定律是什么。那么,这个推广的惯性定律是否已经得到实验证实,以及能否这样证实呢?牛顿在写《原理》时,肯定认为这个真理已由实验获得和证明。他之所以这样认为,不仅是因为我们稍后会谈到的拟人观念,而且也因为伽利略的工作。开普勒定律也证明了这一点。事实上,根据这些定律,行星的路径完全取决于其初始位置和初始速度,这正是我们推广的惯性定律所要求的。由于这个原理只是表面上为真——我们担心某一天必须用我刚才与之对照的一个类似原理来取代它——必定有某种惊人的巧合使我们误入歧途,就像在上述假设情况下,那种巧合使我们想象中的天文学家误入歧途一样。这一假设太过难以置信,不值得认真考虑。没有人会相信存在这种巧合。毫无疑问,在观测误差范围内,两个偏心率都精确等于零的概率,不小于一个偏心率精确等于0.1、另一个偏心率精确等于0.2的概率。一个简单事件的概率不小于一个复杂事件的概率。但若前一事件发生,我们不会把它的发生归于偶然;我们不愿相信大自然在故意欺骗我们。如果不考虑关于这类错误的假设,我们可以承认,就天文学而言,我们的定律已经被实验所证实。
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