什么是慣性系

關(guān)于牛頓力學(xué)有關(guān)慣性系的概念,愛因斯坦有這樣的批評：“古典力學(xué)想要說明一個物體不受外力,必須證明它是慣性的,想要說明一個物體是慣性的,有必須證明它不受外力.”5 從而犯了邏輯循環(huán)的錯誤.
上面講話的意思是,古典力學(xué)要想知道一個物體的受力狀態(tài),不幸預(yù)先知道它 的運(yùn)動狀態(tài),而要想知道一個物體的運(yùn)動狀態(tài),有必須預(yù)先知道其受力狀態(tài),但由于古典力學(xué)無法預(yù)先確定兩者中的任何一個,另一個也就同樣無法確定.
不過,這個批評很明顯地不符合事實(shí),因?yàn)橹卧挼那鞍牍煞蓦m然還看不出有什么錯誤,牛頓正是由于行星繞太陽的非慣性運(yùn)動,才判定各行星受到力的作用的,但后半段則是完全不顧事實(shí)的,在談?wù)撨@個問題時應(yīng)以事實(shí)為根據(jù).科學(xué)的歷史告訴我們,在牛頓力學(xué)問世以前,人類早已對太陽系內(nèi)各大天體的運(yùn)動狀態(tài)有了基本了解,并建立了哥白尼系統(tǒng)的宇宙圖形.人們?nèi)〉萌绱说某删鸵揽康牟⒉皇橇W(xué)定律和力學(xué)實(shí)驗(yàn),而是長期的天文觀測數(shù)據(jù).人們是在對太陽系內(nèi)個天體的運(yùn)動狀態(tài)已有了基本了解后才找到牛頓的力學(xué)定律的.所以“古典力學(xué)對天體運(yùn)動狀態(tài)的了解要取決于對天體受力狀態(tài)的了解”這個論斷是完全違背事實(shí)的.
當(dāng)然,牛頓力學(xué)的建立使人們對天體的運(yùn)動規(guī)律有比較以前更為深刻的理解,但無論如何,天文觀測的數(shù)據(jù)總是第一位的,而不是開普勒三定律和牛頓定律創(chuàng)造了這些數(shù)據(jù).牛頓力學(xué)問世后,曾有人利用力學(xué)計算的方法預(yù)計了海王星的存在,似乎是先知道力學(xué)定律,然后才知道星體運(yùn)動的.但是不能忘記,這些計算方法所依據(jù)的原理是從已知星體運(yùn)動歸路總結(jié)出來的,所以總第來說,人們是先知道天體的受力狀態(tài)的.牛頓力學(xué)問世后,人們有時也利用力學(xué)實(shí)驗(yàn)的辦法作為研究天體運(yùn)動的一種補(bǔ)充手段,例如用在地球表面上關(guān)的柯氏力的辦法來正地球存在自轉(zhuǎn),但著只是地球自轉(zhuǎn)的許多證據(jù)的一種,它不能給出地球軌道要數(shù)的全部數(shù)據(jù),至于其它行星如何運(yùn)行,就更不能采用這個方法了.
太陽系內(nèi)各行星的軌道要數(shù)是老早確定了的,人們不僅已經(jīng)了解了這些行星的瞬時速度,而且了解它們的瞬時加速度,所以并不存在辨別這些行星是不是慣性系的困難,人們老早就知道它們是非慣性系,知道它們的經(jīng)向和橫向加速度,甚至水星近日點(diǎn)沒百年約43"的額外進(jìn)動量也已精確地測出.
因此,牛頓力學(xué)并不存在判斷天體是否慣性系的困難或犯了邏輯循環(huán)的錯誤.
相對論者一再強(qiáng)調(diào)古典力學(xué)無法了解天體運(yùn)動狀態(tài),目的顯然是為了否定絕對時空觀念及其有力支柱哥白尼系統(tǒng).但他本人卻又常提起哥白尼系統(tǒng),應(yīng)用哥白尼系統(tǒng)來解決實(shí)際問題,豈非自相矛盾.
也許相對論者回提粗疑問,既然太陽也揉銀河系中心轉(zhuǎn)動,而銀河系也不是不動的,難道僅僅根據(jù)太陽系內(nèi)各天體的運(yùn)動狀態(tài)就可以判斷其慣性的好壞?
前文已經(jīng)說明,運(yùn)動的絕對性是有相對運(yùn)動的不等價性來體現(xiàn)的.太陽系的質(zhì)心（采用嚴(yán)格性差一點(diǎn)的習(xí)慣用語,可以簡單點(diǎn)說太陽）和各行星運(yùn)動狀態(tài)的差別是：太陽只有繞銀心轉(zhuǎn)動的牽連加速度,而各行星不僅有簡練加速度,而且有相對太陽運(yùn)動的相對加速度,所以考慮太陽在銀河系內(nèi)的運(yùn)動,太陽依然慣性最好.
事實(shí)上,由于太陽繞銀心運(yùn)動的周期是2.5億年,距離銀心是 27,000 光年,向心和橫向加速度均極為微小.可以預(yù)計,如果銀河系有繞總星系中心的運(yùn)動的話,慣性就更好了.所以,沿著這條道路,將會逐漸接近于找到一個絕對的慣性坐標(biāo)系（或靜止坐標(biāo)系）,這個坐標(biāo)系就是我們所要尋找的絕對坐標(biāo)系.（從無限空間的概念來理解,絕對空間應(yīng)該是一個無中心點(diǎn)的靜止的框架.）所以,我們目前雖然還不能確定一個絕對坐標(biāo)系,但應(yīng)該想它是存在的而且是可知的.
相對論者對古典力學(xué)有關(guān)慣性系的概念進(jìn)行了批評,但是,相對論又是如何定義慣性系的應(yīng)該是一個有興趣的問題.
相對論者有時采用一種和古典力學(xué)差不多的提法,就是：“如果兩個參考系相對作等速運(yùn)動,若其中之一是慣性系,其余一個也是慣性系.”但是,我們知道,由于高等學(xué)校承認(rèn)一個標(biāo)準(zhǔn)的慣性系——絕對坐標(biāo)系的存在,這樣的定義是可以的,而在相對論沒有明確地提粗一個標(biāo)準(zhǔn)的慣性系以前,這樣的定義就沒有什么實(shí)際意義.
相對論者有時把兩個相對作等速運(yùn)動的坐標(biāo)系含混地說成是稈銹病,但這樣的定義只有宇宙間只存在兩個坐標(biāo)系才可能成立.如果存在甲、乙、丙三個坐標(biāo)系,甲相對乙作等速直線運(yùn)動,相對丙作非等速直線運(yùn)動,那么甲究竟是慣性系還是非慣性系?
應(yīng)該指出,相對作等速運(yùn)動的兩個坐標(biāo)系,并不一定是慣性系.在伽利略縮有名的斜塔落體實(shí)驗(yàn)時,輕重兩物體同時落地,相對速度和相對加速度均為零,但兩者均非慣性系.
相對論者有時又說不受力的坐標(biāo)系是慣性系,但問題在于如何知道坐標(biāo)系是不受力的.所以正是相對論的本身在慣性系的定義問題打夯存在著邏輯循環(huán)的毛病.
相對論者有時又說相對于觀察者作等速直線運(yùn)動的是慣性系（因?yàn)橛^察者可以把自己所在坐標(biāo)系看作為慣性系）,但觀察者坐標(biāo)系作為慣性系時又將出現(xiàn)許多新的困難,這個問題將在討論等效原理時再說.
因此,正式由于絕對坐標(biāo)系的被否定,相對論存在著慣性系定義的困難.