力学定律和参考系“不变性原理”

知道霍金创造科学奇迹的人很多，知道霍金创造生命奇迹的人很少，假如他没有创造生命的奇迹，那么他创造科学奇迹的历程将无从谈起。20岁的霍金英俊潇洒，风华正茂，他在21岁那年被确诊为渐冻症，医生说这种病50%的患者能活到3到5年，少数患者能活到10年，只有极少数患者能活到30年以上，而在2018年3月离世的霍金活到了75岁，他与病魔抗争了55年，打破了医学的魔咒，在“挑战不可能”的人生舞台展现了生命的顽强。霍金是爱因斯坦之后世界上最伟大的物理学家之一，两位“头部”科学家在卓越的科学成就之外都非常关注人类未来的命运，爱因斯坦对人类和平事业的贡献足可以获得诺贝尔和平奖。

爱氏的预言多集中在科学领域，谁证实了他的预言，谁破解了他留下的难题，谁将获得诺贝尔物理学奖。霍金的预言多集中在人类未来的生存与发展，人们的说法不一，有的说他有“三大预言”，有的说他有“四大预言”，有的说他有“十大预言”。我们可以概括一下霍金的预言，人类未来面临了两个方面的危机与挑战，一是来自于自然的灾难，比如：小行星撞击地球；二是来自于人类自身活动造成的灾难，比如：过量的温室气体排放产生了气候变化和极端天气事件。

在“讲好中国哲学故事”的文章“测量相互作用的’相对性原理’”中区分了科学哲学概念的“相对性原理”和科学概念的“相对论原理”。爱因斯坦提出了两大相对论原理：狭义相对论原理和广义相对论原理，他决不是以科学的相对论原理证明科学哲学的相对性原理，而是要建立一套不同于经典力学的“新经典力学”，相对论物理是一种新经典物理，当物体的运动接近或达到光速时，当引力场达到超大质量天体产生的强度时，人们熟悉的牛顿经典力学不再适用，引力场方程代替了万有引力方程：质量和时空的可变性代替了质量和时空的不变性；引力传播的时续性代替了引力作用的瞬间性。新经典力学的概念比相对论力学的概念更容易理解，爱因斯坦本人实际上没有把自己创新的物理学体系称之为“相对论物理”。

爱因斯坦在创立相对论的过程中应用了科学哲学概念的“相对性原理”，即：同时性概念是相对的，事件的同时性与参考系的选择有关，在一个参考系表现出的同时性表现为另一个参考系的非同时性，反之亦然，比如：我们在一列行进火车厢的中部向车头和车尾发出一道光，在车厢参考系的乘客看来，我们发出的光同时抵达了车头和车尾，而在站台参考系的看客看来，由于火车厢有一个行进的速度，因此，向车头发出的一道光先到达车头，而向车尾发出的一道光后到达车尾。什么是科学哲学的相对性原理？举例说来，时间的形式是相对的，对时间的测量与我们选择的参考系有关，温度、长度和宽度、面积和体积的形式是相对的，对这些物理参数的测量与我们选择的参照物和单位制有关。

科学哲学相对性原理其中之一的最基本来源是伽利略的相对性原理，力学定律在所有的惯性系中都是相同的。经典力学研究离不开参考系的选择，否则，人们无法判断或测量一个物体的静止和运动状态。所谓的惯性参考系是指空间均匀且各向同性，时间均匀且时间的箭头从过去指向现在或从现在指向未，比如：我们的地月场景是一个非常近似的惯性参考系。伽利略的相对性原理表明了所有的惯性系都是等价的，力学定律或力学方程式在所有惯性参考系的表达式符合科学哲学不变论的等效原理。在“伽利略变换”或从一个惯性参考系变换到另一个惯性系的过程中，比如：从地球参考系变换到月球参考系，即使变换到无穷多个惯性参考系，力学定律或力学方程式都保持不变，比如：一个自由物体在受重力作用时将产生自由落体运动，这种实验在月球、地球和火星上做的结果没有运动形式的差别，只有重力加速度的不同。

爱因斯坦的相对论原理实际上是“新经典力学原理”，同理，伽利略的相对性原理实际上是惯性参考性和力学定律的“不变性原理”，既然科学哲学包括了广义等效原理、相互作用原理和逻辑分析论的“三大块”，那么从科学哲学分析或解释的不变性原理就可以解释为，力学定律在两个或两个以上惯性系的表现形式符合科学哲学一致性的等效原理。人们容易把惯性参考系和物体在惯性系下遵守的惯性定律混为一谈，能不能从伽利咯的相对性原理或力学定律的“不变性原理”推导出物体的惯性定理？或从物体的惯性定理推导出伽利略的相对论原理或力学定律的“不变性原理”？还没有一位物理学家给出这样的定义：能够使物体产生惯性力的参考系称为惯性参考系，或物体的惯性力使得参考系变成了惯性系。惯性系似乎和惯性力有关，但惯性系和惯性力是两个不同的物理概念。

为什么说科学哲学的测不准原理或不确定性原理和科学哲学的相对性原理只是“殊途同归”的两种不同表述？以伽利略的相对性原理或力学定律的不变性原理为例，不存在一个绝对的参考系，我们“测不准”或“认不准”一个物体在某个绝对参考系的“绝对静止”或“绝对运动”状态，也许上帝或某个神明掌握了一切物体的终极存在和终极运动法则，但那不是科学事实的研究对象，而是宗教联想的思考范围。我们“测得准”或“认得准”一个物体在某个相对参考系的相对静止和相对运动状态，而一切相对参考系都是等价、平权、无质的差别性或符合科学哲学形式论的等效原理。以上的科学哲学分析方式说明，从伽利略的相对参考系选择可以导出科学哲学的测不准原理，从伽利略的力学定律不变性原理可以导出科学哲学的等效原理，反之，从科学哲学的两个原理很好地解释了伽利咯的相对论原理。