參考系能任意選取嗎？——三評方舟子博士的回復

前因介紹

有一天，方舟子博士和他的小夥伴們在推特上愉快地談到了「地球圍著太陽轉還是太陽圍著地球轉？」這個問題。當然，有小學生常識的人都知道，太陽系模型是以太陽為中心、地球圍繞著太陽轉的，這一點並無疑問。可就在這個時候，有一位名叫「chang」的網友不合時宜地冒了出來，回復了一句：「嚴格說，球繞著太陽轉，還是太陽繞著地球轉，完全取決於坐標系的選擇。」方舟子諷刺道：「真有傻子把自己當聰明人的。」於是就開始了漫長的爭論。

其實大家可以理解chang網友的意思。「嚴格說」三字，說明他顯然無意否定小學生常識，只不過從中學物理知識，即運動的相對性角度，提了另一個觀點出來作為補充。運動的相對性是中學物理的基本知識，高一一上來就要學習的知識點，照理說很明白易懂。以地面為參考系，太陽也確實在繞著地球轉，這並沒有什麼難易理解的。對於這樣的補充，方舟子博士既可以認同，也可以說：「這是常識調查，按照通常的太陽系模型回答就行，沒必要考慮運動的相對性問題。」或者，乾脆不予回復也沒問題。然而讓人意想不到的是，方舟子博士居然沒有掌握中學物理運動的相對性概念，他認為我們不可以用地球做參考系來描述太陽的運動。方舟子博士有個特點，自己不懂的東西從來不以為自己不懂，反而理直氣壯地去罵人，開口就說人家是「傻子」，引發了一場辯論。結果一辯論，就把自己的水平徹底暴露了。

有關這一爭論，筆者早已寫過一篇評述：《運動的相對性只適用於慣性系嗎？——兼談方舟子博士的物理水平》（後文簡稱《方舟子的物理水平》），在文中，筆者援引各種教材指出方舟子博士認知上的錯誤，也對地球和太陽的相對運動做了分析。筆者指出，運動的描述對參考系沒有限制，我們可以選用任何參考系對地球和太陽的運動進行描述，其中當然包括地球參考系。那麼，為什麼現有的太陽系模型是將太陽放在中心的呢？對於小學生，當然可以講講日心說戰勝地心說的故事，然後直接告訴小學生：地心說是錯的，日心說是對的，這樣就行了。但小學生常識是我們認識這個世界的起點而非終點，我們不應滿足於結論性的「對」或「錯」，更應理解事物背後深層次的道理。而這，在學過中學物理之後就能做到了。在建立太陽系模型時，我們必須要選定一個中心。這就好比地球表面並沒有中心點，但我們繪製世界地圖時，地圖上總有一個中心。我們習慣上將太陽系模型的中心選為太陽，這主要是出於動力學上的考量：太陽參考系近似是一個慣性系，因此在以太陽為中心的模型中，我們可以引入萬有引力，從而用牛頓力學定律對行星的運動做出分析。當然這只是一個近似，真正的慣性系應該是質心系（這也是忽略了太陽質心的微小加速度而言的），而質心相對於太陽的運動其實還比較複雜，筆者在《方舟子的物理水平》一文中放了一張質心運動的插圖，感興趣的讀者可以去看看。可見，我們建立太陽系模型時，也不完全是基於動力學來建立的。在允許的精度範圍內，我們希望太陽系模型的中心有一個「固定」的物體，這樣更有利於人們的想像和理解。現有的太陽系模型就是在這樣的折中考慮下得到的。

順便說一下，有人認為我們選取太陽為中心，是因為這樣的模型比地心模型更簡單。這樣的說法不無道理，在我們的太陽系中，確實日心模型比地心模型要簡單得多（見下圖）。而且，在歷史上，日心說戰勝地心說的過程中，「簡單」這一因素確實也起到了作用。但這並不是決定性因素。我們設想假如有一個太陽系，其中有一個太陽，只有一個行星地球，然後有十顆衛星繞著地球轉，對於這個太陽系，其實地心模型要更簡單一些，但我們還是應該出於動力學的考量，將太陽放在模型中心。

日心模型（左）和地心模型（右）中天體的運行軌跡示意圖（圖片來源於網路）

筆者文章發出後，方舟子博士分幾天時間作出了一些回應，他暴露了自己不僅不承認非慣性系中對運動的描述，甚至連只牽涉到慣性系的運動相對性問題都沒有理解。同時，方舟子博士也對旋轉參考系中遠處物體是否會超光速表現出了好奇。對於方舟子博士的疑問和困惑，筆者均予以了答覆，讀者可參閱《再談運動的相對性——兼評方舟子博士的回復》（以下簡稱《答疑1》）和《旋轉坐標系中運動的物體會超光速嗎？——再評方舟子博士的回復》（以下簡稱《答疑2》）。就在《答疑1》發出之後、《答疑2》尚未在科學公園正式發表之時，方舟子博士又提出了新的疑惑，筆者願不厭其煩，繼續為方舟子博士答疑解惑。

答方舟子博士疑

方舟子微博

1.看好戲：在經典力學和狹義相對論中，運動相對性當然只適用於慣性系，連這個基本常識都沒有的人，怎麼也好意思還寫文章？

張局長評：這條微博中，方舟子博士先是引用了一位名為「看好戲」網友的微博。看好戲網友指出「在經典力學和狹義相對論中運動相對性只適用於慣性系」，並表示這是一個「基本常識」。這也是方舟子博士的觀點，他曾奚落過某位指出其錯誤的北大物理系畢業生：「你在北大物理系學物理的時候沒有學過在經典力學和狹義相對論中運動相對性只適用於慣性參考系？」

事實當然不是如此。運動的相對性，指的是運動的描述與參考系有關，我們在不同參考系中會得到關於運動的不同描述。沒有什麼定律規定對運動的描述只能在慣性系中進行。方舟子博士在最初的辯論中舉了科氏力、傅科擺、牛頓水桶實驗等例子試圖佐證自己的觀點，然而這些例子只能說明慣性概念具有「絕對」意義，卻不能說明我們不能用非慣性系來描述運動。換句話說，方舟子混淆了「運動的相對性」和「相對性原理」（在牛頓力學和狹義相對論中，後者只適用於慣性系）。筆者在《方舟子的物理水平》一文已經對這個問題做了詳盡的分析，文中也列舉了不少教材內容，其中包括能讓方舟子博士「心潮澎湃」的《力學概論》，證明我們確實能夠在非慣性系中描述物體的運動。看好戲網友如果對這個問題有困惑的話，可以向方舟子博士索取這篇文章閱讀一下，要是還有什麼不明白的地方，可與方舟子博士一起討論，或者通過方舟子博士提問。順便有一道習題，看好戲網友可以和方舟子博士一起做一下。

參考系知識點考查習題（來源於新東方題庫）

2.方舟子博士：我早說過了，誰繞著誰轉，不是一個純粹的運動學問題，還是個動力學問題。

張局長評：方舟子博士已經就《方舟子的物理水平》一文中的具體內容提出了質疑，可見他已經看過了這篇文章。對於筆者在文中列舉的大量的教科書上的例子，方舟子博士並沒有回應，有可能嗤之以鼻，有可能心存疑惑，我們不得而知。不過有一點值得注意：方舟子博士把看好戲網友的話接過去的時候，雲淡風輕地把話題縮小到了轉動。如果（比如說）有一輛車做加速運動，車上的人能不能說路邊的樹木在加速倒退？對此事的觀點方舟子博士這兩天沒有明說，我們也不妄猜。目前可以肯定的是，方舟子博士認為旋轉參考系是不可以「亂取」的，有一條前幾天的微博可作為佐證。

方舟子指出不能「亂取」旋轉參考系

也許，這事還是要怪筆者在撰寫《方舟子的物理水平》一文時犯下的疏忽，當時沒有明確把旋轉參考系的內容截圖上來，給方舟子博士的學習理解帶來了障礙。筆者現在就亡羊補牢，下面的截圖出自能讓方舟子博士「心潮澎湃」的《力學概論》一書。

《力學概論》中用旋轉系分析求解問題(1)

上面的例題採用了兩種方法求解力學問題，第2種方法就是利用了旋轉系。在求解之前，先在旋轉系中對物體的運動進行了描述：m靜止不動。

《力學概論》中用旋轉系分析求解問題(2)

上圖有剪接，沒有把完整的解題過程發上來。我們看到此題在題目的描述中就用到了旋轉系，已知條件中速率v是相對於轉盤而言的。而在題解中，還用到了旋轉系中的相對加速度。

上面我們舉出了《力學概論》中在旋轉系中對運動進行描述的例子。請問方舟子博士，你在「心潮澎湃」地翻《力學概論》時，有沒有質疑過這些例題是「亂取參考系」？

之前的分析都是就牛頓力學而言的。方舟子博士和「看好戲」網友還提到了狹義相對論，那狹義相對論中又如何呢？我們知道，狹義相對論中，尺縮、鐘慢等大家熟悉的結論都是在慣性系中推導得來的，這些結論不能簡單地套用到非慣性系中去。但這不代表狹義相對論不能討論非慣性系問題。

狹義相對論中有個著名的「雙生子佯謬」：一對雙胞胎，弟弟留在地球，哥哥坐高速飛船去宇宙逛了一圈。等哥哥回到地球時，奇特的事情發生了。以弟弟為參考系，哥哥在運動，根據鐘慢效應，哥哥的時間變慢，因此當哥哥回來時，弟弟已經白髮蒼蒼，哥哥依舊年輕。但在哥哥看來，自己是靜止的，弟弟在運動，時間過得更慢，因此當兩人會合時，應該哥哥更老而弟弟年輕。這看起來是矛盾的。問題就在於，在這個佯謬中，弟弟是慣性系，而哥哥要出發返回，這中間必定有加速過程，他不可能全程都是慣性系。鐘慢效應是在慣性系中得到的結論，弟弟可以用這個結論，但哥哥不能，因此上面的推理不成立。這個例子說明了有些慣性系中推導得到的結論不能亂套。方舟子博士曾質疑過旋轉參考系中遠處的物體會超光速運動，就是犯了亂套結論的錯誤，詳見筆者在《答疑2》中的分析。非物理專業理工科在大學物理中所學的狹義相對論，以及一般科普文章中所介紹的狹義相對論，都側重於通過慣性系來給讀者介紹狹義相對論的時空觀，另外狹義相對性原理也是針對慣性系的，這就給大家留下一個印象，似乎狹義相對論只適用於慣性系。實情並非如此。「不能套用那些適用於慣性系的結論」不等於「不能用狹義相對論」，加速參考系照樣能夠用狹義相對論進行分析。這不是什麼前沿新奇的知識，教科書中早就這麼寫了。展開講解加速系中如何應用狹義相對論已超出了本文範疇，筆者隨手找本教科書（Misner等人著的Gravitation），將相關章節標題截圖發上來，證明自己並非信口開河。

加速系也能用狹義相對論進行分析

上面的討論其實已經有點離題了。「狹義相對論中，運動的相對性也適用於加速系」是比「狹義相對論也適用於加速系」寬鬆得多的陳述。在上面舉的雙生子佯謬例子中，在哥哥看來，自己靜止，弟弟先是遠離自己然後又返回，這正是非慣性系中對運動進行描述的例子。難道因為哥哥（只）懂狹義相對論，他就閉目塞聽，無法知道弟弟在運動了嗎？他就靈魂出竅，不知道自己相對於自己是靜止的嗎？

3.方舟子博士：科騙們堅定地認為，當他們轉動身體的時候，就是在用無窮的神力反方向轉動整個宇宙。

張局長評：方舟子之前就提出過自己的這個疑惑，筆者在《答疑1》中已經給了解答。筆者當時就指出了方舟子博士思維障礙的因素：「方舟子博士或許覺得這樣子的話彷彿是觀察者向宇宙的其它部分施加了作用，『反向轉動整個宇宙』，覺得這很荒謬。」在這裡，方舟子博士明確提出了「無窮神力」，算是證實了筆者的猜測。

筆者要指出方舟子博士的一點認知錯誤。（慣性系中）物體做勻速圓周運動的話，確實需要力的作用，但這個力是指向圓心的，並非沿著運動方向。因此，如果真有「無窮神力」，那這個力也絕不是「反向轉動整個宇宙」，而是讓觀察者「吸引」整個宇宙。這是中學物理中勻速圓周運動章節的知識，方舟子博士既然連運動的相對性都學不會，不懂勻速圓周運動也正常。

關於是否真有這麼一個神秘的「無窮神力」，筆者在《答疑1》中已經寫得很清楚了，這裡面還布置了一道習題，並不難，請方舟子博士親自計算一下，體會一下。方舟子博士在提出「無窮神力」時，科學公園早已發布了《答疑1》，但願方舟子博士不是真如網友評論的那樣，已經看不懂一篇初級的科普文了。要是方舟子博士學習起來實在有困難，可以向「我的美麗新社會」網友的「物理博士師哥」求助，請他來幫方舟子博士補習物理。

4.方舟子博士：現在完全可以認定這（科學公園）是個偽科學、反科學網站。

張局長評：因科學公園刊登了筆者的文章，方舟子博士就給科學公園扣了個「偽科學、反科學」的帽子。筆者的文章援引了大量教材佐證人們確實能夠在非慣性系中描述物體的運動，方舟子博士如果認為這是偽科學、反科學，那整個物理學都是偽科學、反科學的了。包括《力學概論》，也變成了「偽科學、反科學」的教材。據方舟子博士說，自己「現在還時不時拿出來翻翻」這本書，前段時間還貼了好幾張此書的截圖。請問方舟子博士，你為何要散布「偽科學、反科學」謬論呢？

幸好，觀點的對錯不是「相對」的。前沿知識或許還可能有爭議，運動的相對性這種中學物理基礎知識則是清晰明白的。筆者文章所講都是物理學的主流觀點，方舟子博士反對這些才是民科行為。方舟子博士分不清運動的相對性和相對性原理，搞不懂運動的相對性。下圖是著名民科論壇「反相吧」的截圖，民科也搞不懂這個問題。大家看看，方舟子博士是不是和民科一個水平？

著名民科論壇「反相吧」截圖

方舟子博士數次提及「運動相對性原理」，說這是伽利略提出的。其實伽利略提出的是「相對性原理」。物理中有「運動的相對性」，有「相對性原理」，但是沒有「運動相對性原理」。倒是「福州原創物理研究所」的民科梅曉春在他的「第三時空理論」中談到了「運動相對性原理」。圖就不截了，點進鏈接，1.5節的標題就是。

總之，筆者所述觀點都是物理學主流觀點，有教材做佐證。方舟子博士的認知倒是和民科很接近。當然方舟子博士和民科還是有所不同的：民科錯誤地學習了物理學，發現自己所掌握的物理學知識是錯的，因此就想要推翻它；方舟子博士錯誤地學習了物理學，但感覺不到不對勁，自以為是正確的，並以主流自居「科普」，反而罵別人「偽科學、反科學」。

這樣看來，方舟子博士其實連民科都不如。

7月4日，方舟子博士又貼出一篇文章：《文科生能不能科普相對論？》。這篇文章看似炒冷飯（方舟子博士在6月22日發布過同名內容），但點開一看，也不完全是：最後一句話是和近期的討論有關的，因此筆者在此一併點評。

方舟子在6月22日發布的同名內容

茲將最後一句話摘錄如下。

這樣的「科普」，不僅會得到宣揚「地心說和日心說一樣正確」、「人原地轉一圈就相當於反方向轉動整個宇宙一圈」的偽科學、反科學網站「科學公園」之流的欣賞，還能得圖書獎呢----中國科普現狀之可悲由此可見。

方舟子博士這篇文章的大概內容是說：文科生別指望能學會相對論（不然自己的優越感往哪裡放呢），更別指望能科普相對論（用「資格論」一刀切地否定他人的工作），但是看看科普文接受下教育還是可以的（沒有這個「但是」的話就砸了自己的生意了）。關於文科生能不能學相對論、能學到什麼程度、能不能學到可以科普的水平，筆者有另文陳述。至於方舟子博士的相對論水平，在此文中方舟子博士自稱：「我在大學力學課上學過狹義相對論，狹義相對論涉及的數學相對簡單一些，可以說是完全學懂的。」之前方舟子博士也自詡「可以系統科普狹義相對論」。但實際上，方舟子博士科普的狹義相對論卻犯下了「根據狹義相對論，如果速度超過光速，時間將變為負數」這種低級錯誤，後來在科學公園老師的幫助下，改掉了明顯的算術錯誤，但積重難返，改了還是錯。米娜露莎網友對此寫過專文分析，感興趣的網友可以看看這篇文章，叫做《科普者的錯誤》。這表明方舟子博士的狹義相對論水平根本就沒有入門，做科普只能誤導人。這些不是本文的重點，我們以後再來討論這些問題，此處僅就方舟子博士與科學公園有關的言論做出答覆。

5.方舟子博士：宣揚「地心說和日心說一樣正確」

這是徹徹底底是造謠了。筆者在《方舟子的物理水平》一文中明確寫道：「『在不同參考系中對地日運動描述不同』與地心說、日心說並無關係，坐標原點並無『宇宙中心』之意，亦非太陽系中心。」有一位叫做「長鬍子的_太監」的網友說得更清楚：「古人把觀察的結果表達為絕對的誰繞誰（不允許你提出相反的『繞』），這和當今物理學所認為的相對的誰繞誰本質顯然不同。」如果承認地心說正確，日心說就是錯的，反之亦然，不可能說這兩個一樣正確。方舟子博士倒是堅持日心說，絕對的地球繞太陽，他否認能從其它參考系描述運動。從運動的相對性出發的觀點則不同，在地面參考系中是太陽繞地球轉，太陽參考系中則是地球繞太陽轉，並不堅持說只有某個參考系的觀察結果是「真理」，別的都是「假象」。方舟子博士堅持日心說沒關係，我們可以慢慢討論，但總不應該去造謠別人的觀點。方舟子博士之前就曾造謠筆者「堅定地認為太陽繞著地球轉」，筆者已在《答疑1》中明確闢謠，方舟子博士為何還堅持造謠呢？奉勸方舟子博士少把心思放在造謠上，別以為謊言重複多了就會變成真的，有造謠的工夫，不如多多去體會運動相對性觀點與日心說、地心說的不同，實在有不明白的，可以向這位長鬍子的_太監網友請教。

6.方舟子博士：「人原地轉一圈就相當於反方向轉動整個宇宙一圈」

張局長評：見《答疑1》和評論3。

7.方舟子博士：……的偽科學、反科學網站「科學公園」之流的欣賞

張局長評：見評論4。

8.方舟子博士：中國科普現狀之可悲由此可見。

張局長評：方舟子博士連運動的相對性都搞不明白，屬於應該重修中學物理的水平，卻做了「科普作家」，寫一些「根據狹義相對論超過光速時間變負」「吸收紅光所以是紅色」「如果氣溫低於體溫就要防止體熱散失」之類的科普文誤導人，或是給號稱「光速30萬千米每小時」「推不動箱子是因為摩擦力大於推力」的劣質科普書站台來毒害小朋友，這才真是可悲的事情呢。

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