刻舟求劍的物理原理

船、河岸與水三者之間誰在運(yùn)動(dòng)？天與地、月與云誰在運(yùn)動(dòng)？這是古代人最關(guān)心的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。這里同時(shí)涉及參考坐標(biāo)與相對運(yùn)動(dòng)兩方面的問題。船、河岸與水三者誰在運(yùn)動(dòng)的問題，幾乎同時(shí)困擾了古代東西方的哲人。亞里士多德曾經(jīng)提出，停泊于河中的船實(shí)際上處于運(yùn)動(dòng)之中，因?yàn)椴粩嘤行滤髋c該船接觸?！安荒芡瑫r(shí)踏進(jìn)同一條河”的命題就是由此而來的。古代中國人以自己的思考方式回答這些問題。晉代天文學(xué)家束皙〔xi西〕說：乘舟以涉水，水去而船不徙矣。（《隋書·天文志》）這個(gè)立論方式恰恰與亞里士多德相反。束皙認(rèn)為，這動(dòng)著的船實(shí)際上是不運(yùn)動(dòng)的。如果過江時(shí)保持船與河岸的垂直狀態(tài)，船與河床的相對位置就不改變。將參考坐標(biāo)取在過江線或河床上，這時(shí)就得出“水去而船不徙”的結(jié)論（圖2-10）。另一種看法是，任船與水同速漂流，將參考坐標(biāo)取在整個(gè)水流上，船對于水也不發(fā)生位置移動(dòng)。

圖2-10船過江示意圖船c從a點(diǎn)過江，它總是在兩岸的aa’線上，而水流b卻隨時(shí)在改變它與aa’線的相對位置。從物理學(xué)看，決定空間位置或運(yùn)動(dòng)與否必須有一個(gè)參考系。否則，就會(huì)“西家謂之東家，東家謂之西家，雖皋〔gao高〕陶〔古音yao腰〕之理，也不能定其處”（《淮南子·齊物訓(xùn)》），連古圣皋陶都不能斷其是非。不清楚參考坐標(biāo)的人，就像“刻舟求劍”一樣胡涂?？讨矍髣Φ墓适略鲇趹?zhàn)國末期呂不韋（？-公元前235年）主持編纂的《呂氏春秋》，至今讀起來還膾炙人口。它所包含的物理意義是極其深刻的。該故事說：有一個(gè)楚國人乘船過江，他身上的佩劍突然掉落江中。他立即在船艙板上作一記號(hào)，對其船友說：“這是我的劍掉落的地方?！钡搅撕影叮Ａ?，他就在畫記號(hào)的地方下水取劍?！爸垡研幸?，而劍不行。求劍若此，不亦惑乎？”（《呂氏春秋·慎大覽·貴因篇》）如此求劍，不是犯胡涂嗎？從故事編纂者的口氣來看，他是知道如何才能找到掉落江中的劍。從物理角度看，找到這把劍落水的位置有兩種辦法：一、記下掉落位置離岸上某標(biāo)志的方向和距離。這就是說，以河岸作為參考坐標(biāo)。二、在船不改變方向和速度的情況下，記下劍掉落時(shí)刻、船速與航行時(shí)間，據(jù)此求出靠岸的船與劍掉落地點(diǎn)的距離。這就是說，以船作為參考坐標(biāo)。至于真正找到這把劍，還得考慮水流、浮力等其他因素。參考坐標(biāo)選取適當(dāng)與否，對解決運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)中的問題是很重要的。在相對運(yùn)動(dòng)中，選取不同的坐標(biāo)就有不同的運(yùn)動(dòng)結(jié)論。古代人常說：“仰游云以觀，日月常動(dòng)而云不移”（《隋書·天文志》），“見游云西行，而謂月之東馳”（《抱樸子·內(nèi)篇·塞難》）。而在行船艙板上人們感覺的是，“不疑行舫動(dòng)，唯看遠(yuǎn)樹來”（南朝梁元帝詩《早發(fā)龍巢》），“看山恰似走來迎”（《敦煌曲子詞集》）。由于參考坐標(biāo)的關(guān)系，原來不動(dòng)的物體都成為運(yùn)動(dòng)的了，這是不足為怪的。令人驚奇的是，這些極為典型的相對運(yùn)動(dòng)的事例，很早就成為中國文人筆下的力作佳句。然而，古代人在判斷“天”與“地”的相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，并不像上述事例那么簡單明了。在古代人看來，“天左旋，地右動(dòng)”（《春秋緯·元命苞》）。也就是，以天上星體的東升西落（左旋）來證明地的右旋運(yùn)動(dòng)。漢代王充提出了另一種看法：日月星體實(shí)際上是附著在天上右旋運(yùn)動(dòng)的，只是因?yàn)椤疤臁钡淖笮\(yùn)動(dòng)比起日月星體來要快，因此才把日月星體當(dāng)成左旋。這種情形就像螞蟻行走在轉(zhuǎn)動(dòng)著的磨上，人們見不到螞蟻右行，而只看見磨左轉(zhuǎn)，因此以為螞蟻也是左行的（《論衡·說日篇》）。我們暫且不管“天”是什么，是否在運(yùn)動(dòng)，僅從物理學(xué)角度看，王充等人的思想是高明的。他們不僅看到了相對運(yùn)動(dòng)，而且還企圖以相對速度的概念來確定運(yùn)動(dòng)的“真實(shí)”情況。在歷史上，許多人參加了這場左右旋轉(zhuǎn)的爭論。迄至宋代，由于理學(xué)大師朱熹的名氣，他所堅(jiān)持的“左旋說”又占了上風(fēng)。這場爭論，長達(dá)2000余年。直到明代，偉大的科學(xué)家朱載堉作出物理判決之后，還爭論未了。朱載堉說：左右二說，孰是耶？曰，此千載不決之疑也。人在舟中，蟻行磨上，緩速二船，良駑二馬之喻，各主一理，似則皆似矣。茍非凌空御氣，飛到日月之旁，親睹其實(shí)，孰能辨其左右哉？（《律歷融通》卷四）天與地、人與舟、蟻與磨、快慢二船、良駑二馬，如果沒有第三者作參考坐標(biāo)，就很難辨明它們各自的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。物理學(xué)上對兩個(gè)彼此作相對運(yùn)動(dòng)的物體a和b，既可以看作a動(dòng)b不動(dòng)，也可以看作b動(dòng)a不動(dòng)。這兩種看法都有效。若要爭論它們的運(yùn)動(dòng)方向或誰動(dòng)誰靜，那真是“千載不決之疑”。朱載堉的回答完全符合運(yùn)動(dòng)相對性的物理意義。然而朱載堉不明白，即使飛到日月旁，也不能辨其左右，而只能回答“似則皆似矣”。以相對運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)來解釋天、地的運(yùn)動(dòng)，在古代的東西方都是一致的。但像朱載堉那樣對相對運(yùn)動(dòng)作出物理判決的人，在伽利略（公元1564-1642年）之前找不到第二位。要解決地靜還是地動(dòng)的問題，關(guān)鍵是要提出令人信服的證據(jù)證明地動(dòng)的不可覺察性，這樣，才能牢固地確立地動(dòng)的觀念。完成這任務(wù)，在近代物理學(xué)史上是伽利略的功勞。然而，古代中國人卻從經(jīng)驗(yàn)事實(shí)中總結(jié)出這一偉大的發(fā)現(xiàn)。早在漢代成書的《尚書緯·考靈曜》寫道：地恒動(dòng)不止，而人不知。譬如人在大舟中，閉牖〔you友〕而坐，舟行而人不覺也。關(guān)閉的船艙，在物理學(xué)著作中被看成是最普通、最易被理解的近似的慣性系統(tǒng)。在一個(gè)封閉的慣性系統(tǒng)內(nèi)，無論什么樣的力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判斷該系統(tǒng)是處在靜止?fàn)顟B(tài)、還是在作勻速直線運(yùn)動(dòng)。這個(gè)原理又稱為伽利略相對性原理。可是，在伽利略之前約1500年，中國人就提出了這個(gè)原理的最古老的說法。這是中國科學(xué)史上最偉大的理論成就之一。

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