惯性坐标系与非惯性坐标系.PDF

惯性坐标系与非惯性坐标系 相对于惯性系作加速运动的参考系就是非惯性系。在非惯性系中,牛顿运动定律不能适用的。 惯性系：相对于地球静止或作匀速直线运动的物体。 非惯性系：相对地面惯性系做加速运动的物体。 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：转盘在水平面匀速转动。 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。” 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，就要预先知道它的运动状 态，而要想知道一个物体的运动状态，就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，因为这段话的前半部分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 们是在对太阳系内各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，所以总的来说，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的柯氏力的办 法来证地球存在自转，但这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，甚至水星近日点每 100 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。 也许相对论者会提出疑问，既然太阳也绕银河系中心转动，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，