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慣性系是現代詞,是一個專有名詞,指的是基本物理概念。

1 慣性系 -什麼是慣性系

關於牛頓力學有關慣性系的概念,愛因斯坦有這樣的批評:「古典力學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 從而犯了邏輯循環的錯誤。

上面講話的意思是,古典力學要想知道一個物體的受力狀態,不幸預先知道它 的運動狀態,而要想知道一個物體的運動狀態,有必須預先知道其受力狀態,但由於古典力學無法預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,因為著段話的前半股份雖然還看不出有什麼錯誤,牛頓正是由於行星繞太陽的非慣性運動,才判定各行星受到力的作用的,但後半段則是完全不顧事實的,在談論這個問題時應以事實為根據。科學的歷史告訴我們,在牛頓力學問世以前,人類早已對太陽系內各大天體的運動狀態有了基本了解,並建立了哥白尼系統的宇宙圖形。人們取得如此的成就依靠的並不是力學定律和力學實驗,而是長期的天文觀測數據。人們是在對太陽系內個天體的運動狀態已有了基本了解后才找到牛頓的力學定律的。所以「古典力學對天體運動狀態的了解要取決於對天體受力狀態的了解」這個論斷是完全違背事實的。

2 慣性系 -相關條件

當然,牛頓力學的建立使人們對天體的運動規律有比較以前更為深刻的理解,但無論如何,天文觀測的數據總是第一位的,而不是開普勒三定律和牛頓定律創造了這些數據。牛頓力學問世后,曾有人利用力學計算的方法預計了海王星的存在,似乎是先知道力學定律,然後才知道星體運動的。但是不能忘記,這些計算方法所依據的原理是從已知星體運動歸路總結出來的,所以總第來說,人們是先知道天體的受力狀態的。牛頓力學問世后,人們有時也利用力學實驗的辦法作為研究天體運動的一種補充手段,例如用在地球表面上關的柯氏力的辦法來正地球存在自轉,但著只是地球自轉的許多證據的一種,它不能給出地球軌道要數的全部數據,至於其它行星如何運行,就更不能採用這個方法了。

太陽系內各行星的軌道要數是老早確定了的,人們不僅已經了解了這些行星的瞬時速度,而且了解它們的瞬時加速度,所以並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,知道它們的經向和橫向加速度,甚至水星近日點沒百年約43"的額外進動量也已精確地測出。

因此,牛頓力學並不存在判斷天體是否慣性系的困難或犯了邏輯循環的錯誤。

相對論者一再強調古典力學無法了解天體運動狀態,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。但他本人卻又常提起哥白尼系統,應用哥白尼系統來解決實際問題,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動,而銀河系也不是不動的,難道僅僅根據太陽系內各天體的運動狀態就可以判斷其慣性的好壞?

前文已經說明,運動的絕對性是有相對運動的不等價性來體現的。太陽系的質心(採用嚴格性差一點的習慣用語,可以簡單點說太陽)和各行星運動狀態的差別是:太陽只有繞銀心轉動的牽連加速度,而各行星不僅有簡練加速度,而且有相對太陽運動的相對加速度,所以考慮太陽在銀河系內的運動,太陽依然慣性最好。

事實上,由於太陽繞銀心運動的周期是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。可以預計,如果銀河系有繞總星系中心的運動的話,慣性就更好了。所以,沿著這條道路,將會逐漸接近於找到一個絕對的慣性坐標系(或靜止坐標系),這個坐標系就是我們所要尋找的絕對坐標系。(從無限空間的概念來理解,絕對空間應該是一個無中心點的靜止的框架。)所以,我們目前雖然還不能確定一個絕對坐標系,但應該想它是存在的而且是可知的。

相對論者對古典力學有關慣性系的概念進行了批評,但是,相對論又是如何定義慣性系的應該是一個有興趣的問題。

相對論者有時採用一種和古典力學差不多的提法,就是:「如果兩個參考系相對作等速運動,若其中之一是慣性系,其餘一個也是慣性系。」但是,我們知道,由於高等學校承認一個標準的慣性系——絕對坐標系的存在,這樣的定義是可以的,而在相對論沒有明確地提粗一個標準的慣性系以前,這樣的定義就沒有什麼實際意義。

相對論者有時把兩個相對作等速運動的坐標系含混地說成是稈鏽病,但這樣的定義只有宇宙間只存在兩個坐標系才可能成立。如果存在甲、乙、丙三個坐標系,甲相對乙作等速直線運動,相對丙作非等速直線運動,那麼甲究竟是慣性系還是非慣性系?

應該指出,相對作等速運動的兩個坐標系,並不一定是慣性系。在伽利略縮有名的斜塔落體實驗時,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系是慣性系,但問題在於如何知道坐標系是不受力的。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的毛病。

相對論者有時又說相對於觀察者作等速直線運動的是慣性系(因為觀察者可以把自己所在坐標系看作為慣性系),但觀察者坐標系作為慣性系時又將出現許多新的困難,這個問題將在討論等效原理時再說。

因此,正式由於絕對坐標系的被否定,相對論存在著慣性系定義的困難。
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