题目

什么是惯性系

提问时间：2020-11-01

答案

什么是惯性系

关于牛顿力学有关惯性系的概念,爱因斯坦有这样的批评：“古典力学想要说明一个物体不受外力,必须证明它是惯性的,想要说明一个物体是惯性的,有必须证明它不受外力.” 5 从而犯了逻辑循环的错误.
上面讲话的意思是,古典力学要想知道一个物体的受力状态,不幸预先知道它 的运动状态,而要想知道一个物体的运动状态,有必须预先知道其受力状态,但由于古典力学无法预先确定两者中的任何一个,另一个也就同样无法确定.
不过,这个批评很明显地不符合事实,因为着段话的前半股份虽然还看不出有什么错误,牛顿正是由于行星绕太阳的非惯性运动,才判定各行星受到力的作用的,但后半段则是完全不顾事实的,在谈论这个问题时应以事实为根据.科学的历史告诉我们,在牛顿力学问世以前,人类早已对太阳系内各大天体的运动状态有了基本了解,并建立了哥白尼系统的宇宙图形.人们取得如此的成就依靠的并不是力学定律和力学实验,而是长期的天文观测数据.人们是在对太阳系内个天体的运动状态已有了基本了解后才找到牛顿的力学定律的.所以“古典力学对天体运动状态的了解要取决于对天体受力状态的了解”这个论断是完全违背事实的.
当然,牛顿力学的建立使人们对天体的运动规律有比较以前更为深刻的理解,但无论如何,天文观测的数据总是第一位的,而不是开普勒三定律和牛顿定律创造了这些数据.牛顿力学问世后,曾有人利用力学计算的方法预计了海王星的存在,似乎是先知道力学定律,然后才知道星体运动的.但是不能忘记,这些计算方法所依据的原理是从已知星体运动归路总结出来的,所以总第来说,人们是先知道天体的受力状态的.牛顿力学问世后,人们有时也利用力学实验的办法作为研究天体运动的一种补充手段,例如用在地球表面上关的柯氏力的办法来正地球存在自转,但着只是地球自转的许多证据的一种,它不能给出地球轨道要数的全部数据,至于其它行星如何运行,就更不能采用这个方法了.
太阳系内各行星的轨道要数是老早确定了的,人们不仅已经了解了这些行星的瞬时速度,而且了解它们的瞬时加速度,所以并不存在辨别这些行星是不是惯性系的困难,人们老早就知道它们是非惯性系,知道它们的经向和横向加速度,甚至水星近日点没百年约43"的额外进动量也已精确地测出.
因此,牛顿力学并不存在判断天体是否惯性系的困难或犯了逻辑循环的错误.
相对论者一再强调古典力学无法了解天体运动状态,目的显然是为了否定绝对时空观念及其有力支柱哥白尼系统.但他本人却又常提起哥白尼系统,应用哥白尼系统来解决实际问题,岂非自相矛盾.
也许相对论者回提粗疑问,既然太阳也揉银河系中心转动,而银河系也不是不动的,难道仅仅根据太阳系内各天体的运动状态就可以判断其惯性的好坏?
前文已经说明,运动的绝对性是有相对运动的不等价性来体现的.太阳系的质心（采用严格性差一点的习惯用语,可以简单点说太阳）和各行星运动状态的差别是：太阳只有绕银心转动的牵连加速度,而各行星不仅有简练加速度,而且有相对太阳运动的相对加速度,所以考虑太阳在银河系内的运动,太阳依然惯性最好.
事实上,由于太阳绕银心运动的周期是2.5亿年,距离银心是 27,000 光年,向心和横向加速度均极为微小.可以预计,如果银河系有绕总星系中心的运动的话,惯性就更好了.所以,沿着这条道路,将会逐渐接近于找到一个绝对的惯性坐标系（或静止坐标系）,这个坐标系就是我们所要寻找的绝对坐标系.（从无限空间的概念来理解,绝对空间应该是一个无中心点的静止的框架.）所以,我们目前虽然还不能确定一个绝对坐标系,但应该想它是存在的而且是可知的.
相对论者对古典力学有关惯性系的概念进行了批评,但是,相对论又是如何定义惯性系的应该是一个有兴趣的问题.
相对论者有时采用一种和古典力学差不多的提法,就是：“如果两个参考系相对作等速运动,若其中之一是惯性系,其余一个也是惯性系.”但是,我们知道,由于高等学校承认一个标准的惯性系——绝对坐标系的存在,这样的定义是可以的,而在相对论没有明确地提粗一个标准的惯性系以前,这样的定义就没有什么实际意义.
相对论者有时把两个相对作等速运动的坐标系含混地说成是秆锈病,但这样的定义只有宇宙间只存在两个坐标系才可能成立.如果存在甲、乙、丙三个坐标系,甲相对乙作等速直线运动,相对丙作非等速直线运动,那么甲究竟是惯性系还是非惯性系?
应该指出,相对作等速运动的两个坐标系,并不一定是惯性系.在伽利略缩有名的斜塔落体实验时,轻重两物体同时落地,相对速度和相对加速度均为零,但两者均非惯性系.
相对论者有时又说不受力的坐标系是惯性系,但问题在于如何知道坐标系是不受力的.所以正是相对论的本身在惯性系的定义问题打夯存在着逻辑循环的毛病.
相对论者有时又说相对于观察者作等速直线运动的是惯性系（因为观察者可以把自己所在坐标系看作为惯性系）,但观察者坐标系作为惯性系时又将出现许多新的困难,这个问题将在讨论等效原理时再说.
因此,正式由于绝对坐标系的被否定,相对论存在着惯性系定义的困难.