伽利略与相对论

李子  李晓露

 

摘要  本文介绍了伽利略时代物理学主流理论，亚里士多德自由落体运动法则。伽利略证明亚里士多德自由落体运动法则不自洽的证明。比萨斜塔实验。介绍了现代物理学主流理论（相对论）及其不自洽的证明。与事实不相符之处。全面彻底否定狭义相对论。

关键词     亚里士多德自由落体法则   狭义相对论   

1．       前言

由百度百科“伽利略”（摘录） 可得：伽利略（Galileo Galilei，1564-02-15-1642-01-08）。意大利数学家、物理学家、天文学家，科学革命的先驱 。伽利略发明了摆针和温度计，在科学上为人类作出过巨大贡献，是近代实验科学的奠基人之一。

历史上他首先在科学实验的基础上融汇贯通了数学、物理学和天文学三门知识，扩大、加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识  。伽利略从实验中总结出自由落体定律、惯性定律和伽利略相对性原理等。从而推翻了亚里士多德物理学的许多臆断，奠定了经典力学的基础，反驳了托勒密的地心体系，有力地支持了哥白尼的日心学说 。他以系统的实验和观察推翻了纯属思辨传统的自然观，开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。因此被誉为“近代力学之父”、“现代科学之父”。其工作为牛顿的理论体系的建立奠定了基础。

伽利略倡导数学与实验相结合的研究方法，这种研究方法是他在科学上取得伟大成就的源泉，也是他对近代科学的最重要贡献 。

伽利略认为经验是知识的唯一源泉，主张用实验—数学方法研究自然规律，反对经院哲学的神秘思辨。深信自然之书是用数学语言写的，只有能归结为数量特征的形状、大小和速度才是物体的客观性质。他是利用望远镜观察天体取得大量成果的第一人。

伽利略对17世纪的自然科学和世界观的发展起了重大作用 。从伽利略、牛顿开始的实验科学，是近代自然科学的开始。

2．       伽利略时代物理学主流理论

由百度百科“伽利略”（摘录） 可得：古希腊在物理学说方面有两大学派，一派以哲学家亚里士多德为代表，另一派则以自然科学家阿基米德为代表。两人皆是古代希腊著名的学者，由于两人的观点和方法不同，科学结论各异，形成了

鲜明的对立。亚里士多德学派的观点是凭主观臆断的推理方法作结论，充斥着谬误。阿基米德学派的观点完全依靠科学实践方法得出结论。

从11世纪起，在基督教会的扶持下，亚里士多德的著作得到了经院哲学家的重视，他们排斥阿基米德的物理学，把亚里士多德的物理学奉为经典，凡违反亚里士多德物理学的学者均被视为“异端邪说”。伽利略对亚里士多德的物理学持怀疑态度，相反地特别重视阿基米德对物理学的研究，重视数学和实验的结合。

在伽利略的研究成果得到公认之前，物理学以至整个自然科学只不过是哲学的一个分支，没有取得自己的独立地位。当时，哲学家们被束缚在神学和亚里士多德教条的框框里，他们苦思巧辩，得不出符合实际的客观规律。伽利略敢于向传统的权威思想挑战，不是先臆测事物发生的原因，而是先观察自然现象，由此发现自然规律。 基于这样的新的科学思想，伽利略倡导了数学与实验相结合的研究方法。这种研究方法是他在科学上取得伟大成就的源泉，也是他对近代科学的最重要贡献。

伽利略摒弃神学的宇宙观，认为世界是一个有秩序的服从简单规律的整体，要了解大自然，就必须进行系统的实验定量观测，找出它的精确的数量关系。

基于新的思想，伽利略倡导了新的方法（数学－实验方法）。用数学方法研究物理问题，原非伽利略首倡，可以追溯到公元前3世纪的阿基米德，14世纪的牛津学派和巴黎学派以及15、16世纪的意大利学术界，在这方面都有一定成就，但他们并未将实验方法放在首位，因而在思想上未能有所突破。伽利略重视实验的思想可见于1615年他写给克利斯廷娜公爵夫人的一封信上的话：“我要请求这些聪明细心的神父们认真考虑一下臆测性的原理和由实验证实了的原理二者之间的区别。要知道，做实验工作的教授们的主张并不是只凭主观愿望来决定的。”

伽利略进行科学实验的目的主要是为了检验一个科学假设是否正确，而不是盲目地收集资料，归纳事实。

3．       伽利略否定物理学主流理论

在历史上伽利略是最早对动力学作了定量研究的人。1589—1591年，他对物体的自由下落运动作了细致的观察，从实验和理论上否定了统治两千年的亚里士多德的落体运动观点（重物比轻物下落快），指出如忽略空气阻力，重量不同的物体在下落时同时落地，物体下落的速度和它的重量无关。

3．1亚里士多德自由落体法则 

在古希腊,大学者亚里士多德在很多学科都有论述，在物理学方面也有其观点，其中最著名的是自由落体法则。

亚里士多德自由落体法则（命题p）：“重物的自由落体降落速度必定快于轻物”。

该法则在伽利略时代前近二千年的时间里一直被公认为真理，是伽利略时代物理学主流理论。

3．2伽利略否定亚里士多德自由落体法则

     著名科学家伽利略在26岁时，就通过严格的逻辑证明，在理论上否定了亚里士多德自由落体法则，其论证过程使用了逻辑论证中的反证法。

     亚里士多德自由落体法则（命题p）：“重物的自由落体降落速度必定快于轻物”。

     伽利略论证p不可能成立，逻辑论证过程如下：

     假设p成立，即p为真命题。

假设有事实如下：A是一重物，B是一轻物。A比B重，将A与B绑结在一起（A＋B），显然比 A重。

因p成立，所以q：（A＋B）的自由落体降落速度必定快于A的降落速度（结论1）。

又因p成立，所以A的降落速度必定快于B的降落速度，因此，A＋B的降落速度慢于A的降落速度（因为速度快的A带上速度慢的B，A的速度被B拖慢，故A+B的速度一定比A慢，比B快）（结论2）。

假设p成立，导致A+B既比A快（结论1），又比A慢（结论2），出现自相矛盾（不自洽），因此，自由落体法则p不可能成立。

这是伽利略通过逻辑论证，在理论上论证了亚里士多德自由落体法则“重物的自由落体降落速度必定快于轻物”不可能成立。从而在理论上推翻了当时的物理学主流理论。

4．伽利略的实验证实

著名的比萨斜塔实验，就是伽利略用实验证实了亚里士多德自由落体运动法则“重物的自由落体降落速度必定快于轻物”与实验事实不相符，是一个假命题。

三百多年前，年仅26岁的伽利略携带一个重量十磅，一个一磅的两个铁球，登上了55米高的比萨斜塔，当着众人的面，同时将两个球放下，“砰”的一声，那大小悬殊的两个铁球同时着地，由此实验直接证实了亚里士多德自由落体运动法则“重物的自由落体降落速度必定快于轻物”与实验事实不相符。实验证实亚里士多德自由落体运动法则是假的物理学原理。

虽然伽利略否定亚里士多德自由落体运动法则由此受到迫害，但真理终为人类所接受，谬误终被人们所抛弃。

5.现代物理学主流理论及其成立的证据

现代物理学主流理论为量子力学和相对论。相对论包括

狭义相对论和广义相对论。                 

    狭义相对论、量子力学和广义相对论的一些结论都有相对应的实验和观测证据证实。但狭义相对论和广义相对论都是从基本假设开始，而相对论的基本假设与亚里士多德一样，纯粹是爱因斯坦的臆测性的原理，至今并未有实验证实。更大的问题是相对论不自洽。

6．相对论不自洽的证明

在李子、李晓露的《狭义相对论专题辩论赛（1）-（13）》、《 黎曼几何专题辩论赛（1）-（6）》、《广义相对论专题辩论赛（1）-（13）》、《量子力学的危机》系列文章中已经证明：狭义相对论、量子力学和广义相对论都不自洽。

如在李子、李晓露的《量子力学的危机》一文，证明了相对论光量子运动质量的不自洽。

光事实上具有能量E。爱因斯坦根据狭义相对论的质能公式(8)推出光子的运动质量为：

    m=E/c^2=hv/c^2        (2.1)

（其中h为普朗克常数，v为光子的频率）

现根据狭义相对论相对质量公式（6）和光子的速度u=c，及 (2.1)可得光子的静止质量m。：

m。= m ×二次根号（1-c^2÷c^2）

=0                      (2.2)

而根据相对质量公式（6）和(2.2)可得光子的运动质量m：

m=m。÷二次根号（1- c^2÷c^2）=0÷0（无法解）

下文用数学的夹逼定理来求解：

因公式（6）的m是速度u的函数f(u)，即m= f(u)。

根据数学的夹逼定理，分别用u-1,u,u＋1代入公式（6）的u,取其极限u→c可得：

limf(c-1)=0,其复数模为0,     lim f(c)待定,

lim f(c＋1)=0×(-i)=0, 其复数模为0。

因c-1< c < c＋1,则根据数学的夹逼定理lim f（c)的复数模必为0。

又因u=c代入公式（6）并不产生虚数,因此可得：

当u→c时, 函数f(u)的极限lim f(c)=0      (2.3)

(2.3)即光子的运动质量m =0,这个数学定理具有必然性。

（2．3）与（2。1）自相矛盾。

爱因斯坦曾说“相对论原理不适用光子”。然而，爱因斯坦发现的光子却是根据狭义相对论的质能公式(8)推出光子的运动质量m=E/c^2=hv/c^2。而公式(8)是由公式(6)推导所得。为什么对于爱因斯坦，证明光子的运动质量m=hv/c^2，狭义相对论的公式(6)、公式(8)适用光子，而本文证明该光子的运动质量m=0，公式(6)、公式(8)就不适用该光子呢？

“相对论原理不适用光子”的观点自相矛盾，是假命题。

由狭义相对论相对质量公式（6）可得：光子的运动质量既等于0又不等于0，自相矛盾。根据伽利略否定亚里士多德自由落体法则的方法，同理可得：狭义相对论相对质量公式（6）不可能成立。从而在理论上推翻了现代物理学主流理论（狭义相对论）。

7．狭义相对论与事实不符的证明

狭义相对论相对质量增加公式：^{[1] [2] [3]}

m=m。÷ 二次根号（1-u^2÷c^2）    （6）

其中m是相对运动质量，m。是静止质量，u是相对速度，c是光速。

1914年物理学家比舍雷（Bucherer）及诺伊曼（Neu-man）在一强电场中，观察高速电子的轨道被电场弯曲的程度，结果该实验很准确地证明了公式（6）。

1952年，在美国布鲁克海文国家试验室，物理学家们将质子加速到光速的百分之九十五，质量提高了3倍，与公式（6）相符。同年在加州理工学院将电子加速到光速的99。9999％，电子质量竞增加了900倍，与公式（6）相符。

带电粒子在粒子加速器中速度v始终不超过光速c的事实，也“证实”狭义相对论相对质量增加公式（6）正确。

通过实验证实公式（6）正确应该是十分可靠的事情。然而，一按公式（6）推理就自相矛盾。以1952年在美国的实验为例，似乎公式（6）符合事实，是正确的。而根据同一原理，在该电子坐标系（K），地球与太阳的相对该电子运动质量比其静止质量增加900倍，地球与太阳的万有引力比地球坐标系增加81万倍。根据狭义相对论力学基本方程：F=d(mu)/dt （7）可得， 二者必然吸引在一起，其距离L必为0。在地球坐标系（K′），根据洛伦兹变换公式（2） ：y′＝y=0，公式（3） ：z′＝z=0和在X′轴的“棒长缩短”公式：

L′= L ×二次根号（1-u^2÷c^）（9）可得，因在电子坐标系（K）L=0，则在地球坐标系（K′）测量太阳与地球的距离（L′）必然为0，这与在地球上观测的事实完全不符。

爱因斯坦说“相对论原理不适用光子”。对于1952年美国布鲁克海文国家试验室的实验，相对论原理适用该电子了吧？然而根据相对论原理质量增加公式（6），宇宙所有星球相对该电子的运动质量增加近900倍，万有引力比地球坐标系增加近81万倍，为何宇宙不收缩呢？

太阳与地球的距离（L′）不为0的事实证实：狭义相对论相对质量增加公式（6）与事实不符，是假命题。

伽利略倡导了新的方法（数学－实验方法）。李子倡导数学、物理理论与客观事实比较的方法。这种方法包括了通过实验获得事实证据的方法；还包括不必通过实验，根据人们在平常实践中已经清楚、熟知的客观事实（经验）与理论结论比较的方法。理论结论与事实相符则真，与事实不符则假。这是获取真理，识别谬论的有效方法。

但要注意排除理论结论与事实表面上相符情况。如因果关系中，统计原因p与结果q事实出现规律，当p出现时，q有时出现，有时不出现，则不能根据p真且q真时，认为p是q的原因。宇宙学的哈勃定律就认为宇宙大爆炸（p）是宇宙红移（结果q）的原因。然而有些恒星、星系却是蓝移。二者无必然的因果关系，只是大概率偶然事件，p真q假的事实可证：（p→q）命题为假。

狭义相对论原理质量增加公式（6），可推导太阳与地球的距离（L′）为0的结论与事实不符的结果，由此可得：公式（6）是假命题。

8．全面彻底否定狭义相对论

在狭义相对论，由洛伦兹坐标变换公式（1）和（4）必可推得相对运动时间变慢公式（5。1）、“棒长缩短”公式(9)定理。由时间相对变慢公式（5。1）和动量守恒定律联合推导可得：相对运动质量增加公式（6）定理；由公式（6）和牛顿第二定律联合推导可得：狭义相对论力学基本方程（7）定理；由公式（7）和合外力做功公式及数学的定积分联合推导可得：质能关系式（8）定理等。（具体的推导请阅参考文献 ^{[1] [2] [3]} ）。

根据上面的证明可得：狭义相对论相对质量增加公式（6）是假命题。

由《形式逻辑学》逻辑论证内容可得：狭义相对论力学基本方程（7）定理是由公式（6）和牛顿第二定律联合推导证明的。因公式（6）是假命题，则其逻辑证明中的论据之一公式（6）虚假，其逻辑证明是无效的。所以其结论公式（7）未得到证明。公式（7）不能确定成立。

同理，由公式（7）和合外力做功公式及数学的定积分联合推导的质能关系式（8）定理，因其论据—公式（7）虚假，则其结论公式（8）未得到证明。公式（8）不能确定为真。

在逻辑证明中，因论据虚假，公式（7）、公式（8）的证明是无效的。其真值不能确定。

而由时间相对变慢公式（5。1）和动量守恒定律联合推导了相对运动质量增加公式（6）定理，根据数学证明充分条件（如果p，则q）定理的方法或李子逻辑学，命题（5。1）逻辑蕴涵命题（6），即（（5。1）→（6））是真命题。已知┣（p→q）T，┣ qF ，根据李子逻辑学的定理和分离规则可得：┣ pF，即可证（5。1）命题为假。

同理，可证洛伦兹坐标变换公式（1）和（4）是假命题。并且由公式（1）和（4）假命题推导的“棒长缩短”公式(9)定理未得到证明。

由此可得，狭义相对论的主要定理（1）、（4）、（5。1）、（6）、（7）、（8）、(9)等公式及其证明被全面推翻。在形式逻辑学，狭义相对论已被全面彻底否定。

9．结束语

目前，国内有一些科学界人士，把爱因斯坦的相对论奉为真理，凡违反相对论的学者均被视为“异端邪说”的民科。这与伽利略时代拥护 亚里士多德自由落体法则理论的人何其相似。然而，相对论不会因为科学界主流拥护而成为真理。真理也不会因为科学界主流反对成为谬论。

理论是否一致（自洽），是元数学希尔伯特规划，判断真理与谬论的一个标准。不自洽的理论必是谬论。科学大师伽利略在理论上推翻亚里士多德自由落体法则的证明和元数学希尔伯特规划，给了我们识别真理与谬论，提供了证明方法。

 

参考文献　

　

[1] [英]W.G.V.罗瑟著，岳曾元、关德相译，相对论导论，北京：科学出版社，1980年，98—171　　

[2] 蔡伯濂著，狭义相对论，北京：高等教育出版社，1991，39—64　　

[3] 南京工学院等七所工科院校，物理学，下册，北京：高等教育出版社，1978年，249—269

[4]狭义相对论专题辩论赛（1）-（13），李子、李晓露

[5]广义相对论专题辩论赛（1）-（13），李子、李晓露

[6]  黎曼几何专题辩论赛（1）-（6），李子、李晓露

[7]  量子力学的危机，李子、李晓露

[8]  李子逻辑学，李子、李晓露

[9]   金岳霖主编，形式逻辑，湖北：人民出版社，1985，280—305