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  刻舟求剑【点击数:


  船、河岸与水三者之间谁在运动? 天与地、月与云谁在运动? 这是古代人最关心的运动学问题。这里同时涉及参考坐标与相对运动两方面的问题。

  船、河岸与水三者谁在运动的问题,几乎同时困扰了古代东西方的哲人。亚里士多德曾经提出,停泊于河中的船实际上处于运动之中,因为不断有新水流与该船接触。“不能同时踏进同一条河”的命题就是由此而来的。古代中国人以自己的思考方式回答这些问题。晋代天文学家束皙〔xi西〕说:

  乘舟以涉水,水去而船不徙矣。(《隋书·天文志》)

  这个立论方式恰恰与亚里士多德相反。束皙认为,这动着的船实际上是不运动的。如果过江时保持船与河岸的垂直状态,船与河床的相对位置就不改变。将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(图2-10)。另一种看法是,任船与水同速漂流,将参考坐标取在整个水流上,船对于水也不发生位置移动。


  图2-10 船过江示意图

  船C从A点过江,它总是在两岸的AA'线上,而水流B却随时在改变它与AA'线的相对位置。

  从物理学看,决定空间位置或运动与否必须有一个参考系。否则,就会“西家谓之东家,东家谓之西家,虽皋〔gao高〕陶〔古音yao腰〕之理,也不能定其处”(《淮南子·齐物训》),连古圣皋陶都不能断其是非。不清楚参考坐标的人,就像“刻舟求剑”一样胡涂。

  刻舟求剑的故事原出于战国末期吕不韦(?-公元前235年)主持编纂的《吕氏春秋》,至今读起来还脍炙人口。它所包含的物理意义是极其深刻的。该故事说:有一个楚国人乘船过江,他身上的佩剑突然掉落江中。他立即在船舱板上作一记号,对其船友说:“这是我的剑掉落的地方。”到了河岸,船停了,他就在画记号的地方下水取剑。“舟已行也,而剑不行。求剑若此,不亦惑乎?”(《吕氏春秋·慎大览·贵因篇》)如此求剑,不是犯胡涂吗? 从故事编纂者的口气来看,他是知道如何才能找到掉落江中的剑。从物理角度看,找到这把剑落水的位置有两种办法:一、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、在船不改变方向和速度的情况下,记下剑掉落时刻、船速与航行时间,据此求出靠岸的船与剑掉落地点的距离。这就是说,以船作为参考坐标。至于真正找到这把剑,还得考虑水流、浮力等其他因素。

  参考坐标选取适当与否,对解决运动学和动力学中的问题是很重要的。在相对运动中,选取不同的坐标就有不同的运动结论。

  古代人常说:“仰游云以观,日月常动而云不移”(《隋书·天文志》),“见游云西行,而谓月之东驰”(《抱朴子·内篇·塞难》)。而在行船舱板上人们感觉的是,“不疑行舫动,唯看远树来”(南朝梁元帝《早发龙巢》),“看山恰似走来迎”(《敦煌集》)。由于参考坐标的关系,原来不动的物体都成为运动的了,这是不足为怪的。令人惊奇的是,这些极为典型的相对运动的事例,很早就成为中国文人笔下的力作佳句。

  然而,古代人在判断“天”与“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”(《春秋纬·元命苞》)。也就是,以天上星体的东升西落(左旋)来证明地的右旋运动。汉代王充提出了另一种看法:日月星体实际上是附着在天上右旋运动的,只是因为“天”的左旋运动比起日月星体来要快,因此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(《论衡·说日篇》)。我们暂且不管“天”是什么,是否在运动,仅从物理学角度看,王充等人的思想是高明的。他们不仅看到了相对运动,而且还企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转的争论。迄至宋代,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余年。直到明代,伟大的科学家朱载堉作出物理判决之后,还争论未了。朱载堉说:

  左右二说,孰是耶? 曰,此千载不决之疑也。人在舟中,蚁行磨上,缓速二船,良驽二马之喻,各主一理,似则皆似矣。苟非凌空御气,飞到日月之旁,亲睹其实,孰能辨其左右哉? (《律历融通》卷四)

  天与地、人与舟、蚁与磨、快慢二船、良驽二马,如果没有第三者作参考坐标,就很难辨明它们各自的运动状态。物理学上对两个彼此作相对运动的物体A和B,既可以看作A动B不动,也可以看作B动A不动。这两种看法都有效。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,在伽利略(公元1564-1642年)之前找不到第二位。

  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。完成这任务,在近代物理学史上是伽利略的功劳。然而,古代中国人却从经验事实中总结出这一伟大的发现。早在汉代成书的《尚书纬·考灵曜》写道:

  地恒动不止,而人不知。譬如人在大舟中,闭牖〔you友〕而坐,舟行而人不觉也。

  关闭的船舱,在物理学著作中被看成是最普通、最易被理解的近似的惯性系统。在一个封闭的惯性系统内,无论什么样的力学实验都不能判断该系统是处在静止状态、还是在作匀速直线运动。这个原理又称为伽利略相对性原理。可是,在伽利略之前约1500年,中国人就提出了这个原理的最古老的说法。这是中国科学史上最伟大的理论成就之一。


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