浅议惯性参考系

浅议惯性参考系一、引言在力学教科书中，往往是从惯性参考系讲起，而且对惯性参考系也大体有如下定义：“能使牛顿第一定律成立的参考系称为惯性参考系，相对于惯性参考系匀速直线运动的参考系也是惯性参考系”。粗略看来，似乎对惯性参考系叙述得很明白，但稍加推敲就知道其中包含着无法自圆其说的矛盾。因为牛顿第一定律的内容是：“每一个物体都将继续保持它的静止或匀速直线运动状态，除非被加予它上面的力所迫改变这个状态。”试问静止或匀速直线运动是相对于什么参考系而言的？如果上述静止或匀速直线运动是相对于惯性参考系而言，那么就应首先选取适当的惯性参考系，然后再来讨论牛顿第一定律的内容，这就明显钻进了自我循环的小圈子，为跳出这一小圈子，让我们来回顾一下牛顿第一定律产生的历史背景。二、牛顿第一定律产生的历史背景历史上曾经有过天动学说和地动学说的争论，其实质就是选取和决定惯性参考系的争论，以亚里士多德为代表的天动学说为了证明地球是静止的，论证说：我们看到竖直上抛的东西，即使被抛到极大的高度也总是从其被抛到的地方沿原路返回原处。如果地球是在运动，那么这种情况就不会发生，因为在抛出物向上和向下运动这一段时间内离开了地球，若地球旋转，则落地点要向西移动很长一段距离，而这段距离就是抛出物的落地点与抛出点相隔的距离。伽利略是地动学说的积极拥护者，为了反驳上述论点，他以船桅杆顶上落下的石块为例，指出：不论船停泊不动或以任何速度行驶，石块总是落在船的同一位置。同样的道理对地球也成立，从石块总是落到塔底这一事实，根本无法推断地球究竟是运动的还是静止的。伽利略的论证不仅有力地驳斥了天动地静学说，而且包含着更加深刻的物理意义，这就是当石块在船桅杆顶（或塔顶）时已具备了与船（或地球）同样运动的速度，当石块离开船桅杆顶（或塔顶）以后，除附加下落的速度外，还保持了原来伴随船（或地球）的运动速度，所以不论船（或地球）是停泊不动还是在行驶中，石块总是落在同一位置。由此伽利略开始洞察到一条重要的物理规律，即惯性定律。他在关于两种新科学的对话中，通过一个理想实验论证了水平面上的直线运动是惯性运动，他指出：“进一步说，我们可以注意到，一旦加给一个动体的速度径直地持续下去，直到加速和减速的外因被去掉时，这只是在水平面上发现的情况；因为在下斜的平面上已经出现加速的原因，而在上斜的平面上，有减速的原因；由此可得出沿一水平面的运动是永恒的；因为如果速度是均匀的，它就不能减小或变慢，更不要说消失了”。这就是惯性定律最原始的表达形式。伽利略在研究惯性定律的基础上进一步抽象出力学的相对性原理，他指出：“在一条停泊的船上所做的力学实验（例如落体实验）和在一条行驶的船上所做的实验，二者结果完全相同，只要行驶的船相对于静止的船是匀速运动的。”伽利略所谓停泊的船，实质上就是与地球相对静止的一个惯性参考系，他所说的运动的船，自然就是相对于静止惯性参考系匀速直线运动的惯性参考系。至于说二者实验结果相同，则理所当然就是力学规律在上述两惯性参考系中都成立，或者说上述两参考系都是等价的惯性参考系。这就是著名的伽利略相对性原理。伽利略在讲述惯性定律或相对性原理时都是首先选取地球为静止惯性参考系，这与他本人主张的地动学说并无本质矛盾，其理由有二：第一，在比较粗略的力学实验和测量中，地球可以很好地充当惯性参考系的角色。第二，伽利略受到罗马天主教教皇的威胁，被迫宣誓“放弃”地动学说的观点。牛顿在伽利略惯性定律的基础上进一步抽象出了牛顿第一定律：“每一个物体都将继续它的静止或匀速直线运动状态，除非被加予它上面的力所迫改变这个状态”。三、惯性参考系是一个理想化的科学概念在牛顿第一定律的表述里没有明确指出，所谓“静止状态”或“匀速直线运动状态”是对什么参考系而言的，但牛顿的思想是明确的，他认为时间和空间是绝对的，在绝对空间中绝对静止的物体可以选取为绝对静止的惯性参考系。牛顿第一定律中所说的物体“静止状态”或“匀速直线运动状态”，就是指相对绝对静止惯性参考系而言的。19世纪伟大的物理学家马赫首先提出：一切运动都是相对的，牛顿所谓的绝对时空观是值得怀疑的。爱因斯坦继承了马赫的思想，创造性地建立了相对论学说，彻底否定了牛顿的绝对时空观，建立了科学的相对论时空观，这样一来很多人认为，既然绝对时空观已被否定，则绝对静止惯性参考系以及物体的绝对静止或绝对运动的概念已经完全失去了意义！于是乎不少人对惯性参考系与牛顿第一定律的相互关系也就模糊不清了。为了澄清上述模糊认识，本文在此指出：从伽利略到牛顿，都是首先适当选取了惯性参考系以后才讨论包括惯性定律在内的各种力学问题的。伽利略在阐述各种力学问题时，常常首先选取地球为惯性参考系，当然伽利略明白，地球是围绕太阳旋转的，这意味着伽利略心里很清楚，太阳是比地球更优越的一个惯性参考系。到牛顿时代，牛顿以动力学理论为指导，通过分析研究开普勒行星运动三定律，提出了万有引力定律，由此进一步认识到，太阳系各成员之间的关系，实际上是力学中的多体问题，如果不考虑其他天体对太阳系的作用力，则太阳系中的各个成员（包括太阳）都在围绕太阳系的质心而运动。由此可见，选取太阳系的质心为惯性参考系，比选太阳本身作为惯性参考系更为优越。依次类推，牛顿提出了绝对空间中绝对静止惯性参考系的概念。应当指出，绝对空间的概念是应该否定的，但最优越、最理想的惯性参考系的概念是可取的。试设想如果宇宙空间存在某一物体，该物体为距离其他一切物体为无限远的“孤立物体”，那么这一“孤立物体”将不受其他物体的任何作用力，则这一“孤立物体”就是最优越、最理想的惯性参考系。综合上述可得到如下结论：所谓惯性参考系，应理解为抽象出来的科学概念，如同质点、刚体等一样，是一个理想化的模型。在处理某些力学问题时，可以选取地球为惯性参考系；在处理某些问题时，又可以选取太阳为惯性参考系；但最理想的惯性参考系，则应当选取距离宇