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惯性参照系

惯性参照系(inertial frame of reference) 牛顿运动定律在其中有效的参考系,又称惯性坐标系,简称惯性系。如果S为一惯性系,则任何对于S作等速直线运动的参考系S'都是惯性系;而对于S作加速运动的参照系则是非惯性参考系(非惯性系)。所有惯性系都是等效(等价)的。一个参考系是不是惯性系要通过实验确定。实践表明,对于一般工程技术中的动力学问题,与地球相固结的坐标系是一个很好的近似的惯性系。但在研究大气或海洋的大范围运动或航天器空间的运行时,必须考虑地球缓慢自转的影响,这时地心坐标系(坐标原点在地心,三坐标轴指向三颗恒星)就是一个更精确的惯性系。如果研究空间探测器的行星际飞行,还需考虑地球的绕日公转,应使用日心坐标系作为惯性系。 [1]

惯性系符合的是与惯性定律描述一致但不是惯性定律的原理,即在惯性系中,不受外力时,一切物体总保持与参考系的匀速直线运动状态或相对静止状态。惯性系中的惯性指的是相对于整个惯性系而言,不同惯性系中所指惯性可能不同。例如惯性系中物体由于惯性保持相对静止状态,从另一个惯性系观察,物体作匀速直线运动。相对静止的物体仍保持原有状态。可见不同惯性系有时所指的惯性不同。惯性系中的惯性称为相对惯性,与惯性定律中惯性不同。惯性系中的惯性是相对于惯性系与其中的物体整体而言,惯性定律中惯性是物体自身的性质。

对一切运动的描述,都是相对于某个参考系的。参考系选取的不同,对运动的描述,或者说运动方程的形式,也随之不同。在有些参考系中,不受力的物体会保持相对静止或匀速直线运动状态,其时间是均匀流逝的,空间是均匀和各向同性的。在这样的参考系内,描述运动的方程有着最简单的形式,此参考系就是惯性参考系(惯性系)。

朗道《场论》(主要是相对论电动力学)给出的定义 :牛顿第一定律成立的参照系叫做惯性系 (原文直接说在这样的参考系中,一个不受相互作用的粒子将保持相对静止或匀速直线运动)。这个定义在牛顿力学和狭义相对论中均适用。

①牛顿第一定律定义了惯性系。

②牛顿力学在惯性系中成立(在相对论中,修正为麦克斯韦方程组和相对论力学在其中成立)。

这样就不存在逻辑循环,同时也说明,牛顿第一定律不是牛顿第二定律在F=0时的特殊情况。

在空间中,相对于任何参考点(静止中或移动中),一个运动中的粒子的位移、速度和加速度都可以测量计算而求得。虽然如此,经典力学假定有一组特别的参考系。在这组特别的参考系内,大自然的力学定律呈现出比较简易的形式,称这些特别的参考系为惯性参考系(惯性系)。惯性系有个特性:两个惯性系之间的相对速度必是常数;相对于一个惯性系,任何非惯性参考系(非惯性系)必定呈加速度运动。所以,一个净外力是零的点粒子在任何惯性参考系内测量出的速度必定是常数;只有在净外力非零的状况下,才会有点粒子加速度运动。因为万有引力的存在,并无任何方法能够保证找到净外力为零的惯性系。实际而言,相对于遥远星体呈现常速度运动的参考系应是优良的选择。

惯性系是不存在引力作用、不存在自身加速度的“自由”参考系。在经典力学中,这是一种理想参考系:由于宇宙空间中无处不存在引力,实际的惯性系是不存在的。在广义相对论中,由于引力作用和加速度是完全等效的,对于一个在引力场中作自由落体运动的参考系,引力作用和自身加速度的作用抵消。这样的参考系,是一个真实的“自由”参考系。由于引力场在空间中的分布是不均匀的,惯性系只可能是局域的,也被称为局域惯性参考系。宇宙中不存在全局惯性参考系。

一个参考系是不是惯性系,只能由实验确定。最基本的判据就是牛顿运动定律成立与否。根据伽利略相对性原理,和一个惯性系保持相对静止或相对匀速直线运动状态的参考系也是惯性系。在实践中,总是根据实际需要选取近似的惯性系。比如,在研究地面上物体小范围内的运动时,地球是一个良好的惯性系。实践表明,对于一般工程技术中的动力学问题,与地球相固结的坐标系是一个很好的近似的惯性系。在研究太阳系中天体的运动时,太阳是一个很好的惯性系。 [2]

相对惯性系作等速直线运动的任何参考系都是惯性系,因为在这些参考系中牛顿运动定律都成立(见伽利略变换),即在相对惯性系作等速直线运动的任何参考系中,力学规律的表达形式都一样。或者说,任何一个惯性系中所作的任何力学实验都无法测定惯性系本身的速度。这个论断常称为力学相对性原理,它是伽利略于1632年在他的名著《关于哥白尼和托勒玫两大世界体系的对话》中首先提出来的,故又称伽利略相对性原理。该书中伽利略列举了大量事实说明在等速直线运动着的船上和在地面上的力学规律的表达形式完全相同。所有的惯性参考系都是等效的。伽利略最早说明了这个事实:在一个封闭的系统中,不论进行怎样的力学实验,都不能判断一个惯性系统是处于静止状态或是在作等速直线运动。

伽利略相对性原理是最早被引入物理学中的基本原理之一,它是牛顿的宇宙观的基础,其正确性被大量的物理事实所证明。1905年,爱因斯坦在他的论文《论动体的电动力学》中将力学的相对性原理推广到物理学的其他领域(如电、磁、光学等领域),提出了爱因斯坦的狭义相对性原理:在任何惯性系中物理定律具有相同的表达形式。爱因斯坦将这个相对性原理与光速不变原理相结合,创建了狭义相对论。 [1]

非惯性系也称非惯性参考系,是相对地面惯性系做加速运动的物体。在非惯性系中,牛顿第一定律并不成立。

平动加速系:相对于惯性系作变速直线运动,但是本身没有转动的物体。例如在平直轨道上加速运动的火车。

转动参考系:相对惯性系转动的物体。例如在水平面匀速转动的转盘。

灵遁者认为引力是物质与物质之间的作用。引力场是这种作用的结果。而这样的结果就如同一种空间性质。正是由于这种空间性质,才使得物质具有惯性。而且这种惯性的大小只于物质的质量大小有关。而质量大小,又会决定引力大小。所以这就是引力质量和惯性质量严格有正比关系原因,这是正确的。爱因斯坦以此建立等效原理也是正确的。

根据上面的文字,相信大家可以更好的理解,引力是惯性的源泉。引力决定物质具有惯性。假想宇宙物质,没有引力,那么物质也就没有惯性。但是显然这是不可能的。

惯性本身不是一种力,是一种物质在引力场中表现出来的性质。所以不要拿引力和惯性力做文章,去为难“引力是惯性的源泉。”我本人一开始,也对此问题,颇为头疼。但是其实是错误的。这根本就不是问题。

而引力的产生,我在文章中已经说了,认为是物质结构,物质组成,物质运动所导致的一种必然联系。其他宇宙三种力,也于此密切相关。

但是在不同的尺度,不同的粒子运动情况下,表示出截然不同的作用。这在哲学上,也是非常讲的通的。

由于来说,试着去寻找宇宙统一的“力”,是正确的。就像我在结尾中说过。他会是一个非线性的系统。而不是单一的,线性的公式。这与我们现在所看到的世界相反 [3]


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