惯性与惯性系

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1、惯性与惯性系摘要：对于地球来说，惯性系就是围绕地球分布的一系列同心球面，在同一个球面上的所有点，其引力势都相等。只有静止或沿着等势面作匀速圆周运动的物体，才能看作不受外力的作用。关键词：惯性系、等势面、惯性定律早在古希腊时期，亚里士多德就建立起了自然主义的宇宙体系，大地是球形的，地球是宇宙的中心，这是第一个没有上下区分，空间各方等价的参照系。他认为，一切物体都有达到它天然位置的倾向，重物要向地心运动，天上的物体，如太阳、月亮、星星等都处于它们天然位置上作完美的圆周运动，表明了认识到自然界物体位置和空间存在有某种最佳分布状态，这是承认绝对参照系存在的思想

2、萌芽。伽利略提出的相对性原理表明，凡是相对于某一惯性系作匀速直线运动的参照系都是惯性系，不可能判明哪一个惯性系是处于绝对运动状态或绝对静止状态，每个惯性系就是一个特定的无限延伸的空间。所以伽利略相对性原理实质上是提出了一个无限延伸的平直空间体系，在这个空间中，没有特殊的点和特殊点方向，选择任何一点作为参照系原点都是等价的，不影响物理定律的性质。指出了在惯性运动范围内是不存在绝对空间和绝对运动的。牛顿在创立他的经典力学时引进了绝对空间和绝对时间作为有效参照系，牛顿的时空是完全脱离物质独立存在的，他的绝对空间是一个欧几里德无限空间，它是均匀的各向同性的，是

3、一个没有边界的大容器，宇宙间的所有物体通过万有引力分散悬放在这个大容器内。但是，牛顿引进的空间同伽利略的空间是有区别的，枷利略的空间里不存在绝对参照系，而在牛顿的空间里却存在一个绝对参照系。相对这个参照系的空间是绝对空间，相对这个参照系的运动就是绝对运动。由于把物体的运动同空间的性质看成毫无关系，所以，牛顿最终也没有找到绝对参照系的起始原点。因为，对于一个无限的平直空间来说，所有的点都是等价的，不可能找到一个特殊的坐标原点。只有在以引力中心为原点的球面坐标系里，才会有一个特殊的坐标系存在。牛顿在《自然哲学和数学原理》一书中是这样来描述惯性定律的：“外力

4、是施加于某物借以改变其现状的一种作用，无论该现状是静止的或匀速直线运动的”，①也就是通常所说的：“物体在不受外力作用时保持其静止或匀速直线运动状态。”牛顿的惯性定律必须在平直的空间内才能成立。因为只有在平直空间里，物体在不受外力的作用下，才可以一直沿着直线作匀速运动维持到无穷远处。问题就出在牛顿所要求的脱离物质作用的绝对空间实际上是不存在的，空间的特性总是同物质作用联系着的，只有在物质的相互作用之中才能显示出来。因此，牛顿的平直空间同万有引力定律之间存在着一个逻辑矛盾：按万有引力定律，宇宙间一切物体都具有万有引力，那么，围绕着每个物体周围都存在着引力场

5、。对于一个单独物体，它的引力场无法显示出来，如果在引力场里有一个相对物体很小的单位质量的物体，这时，物体周围的空间性质立即就显示出来了。实际显示的空间并不是如牛顿所描述的平直的绝对空间，物体的引力场同电荷场的分布是一样的，引力作用随着离开物体的距离r的增加而以m/r2形式不断减小，而与物体的质量m成正比，密度愈高质量愈大的物体，周围空间引力场强度愈大，弯曲也愈厉害。可以引入引力势-m/r的概念来表示物体周围的空间分布，对于一个单独的物体来说（可看成物质均匀分布的对称球体），引力势分布是一系列从引力中心向外连续分布的同心球面（实际上两个相邻球面的能量差至

6、少为一个量子数h），各球面上的引力势随离中心的距离增加而增加。处在同一个球面上的所有点，其引力势都相等。引力势相等的曲面称为等势面。所以，当一个物体在引力场中运动时，只要物体作跨越等势面的运动，也就是作变速运动，就必定受到了力的作用。如果物体不受外力的作用，则物体将保持静止或作沿等势面的匀速圆周运动。对于只有一个单独的中心体来讲，物体将围绕中心体作圆周运动。如地球围绕太阳，电子围绕原子核的运动。它们各自稳定在相应的轨道上，只有在受到外力作用时，物体才会作跨越等势面的运动，而这种运动则必然要改变物体的惯性能。对于由多个物体构成的引力中心系统，它们的引力势

7、会相互叠加会改变等势面的形状，成为不是同心球面，如果再考虑到系统外物体的影响，则等势面的空间结构会变得较为复杂，沿等势面运动更是复杂的曲线运动。我们以上推断的结论同牛顿的惯性定律有着显著差别。牛顿惯性定律认为：物体在不受外力作用时，物体将保持静止或匀速直线运动状态。但我们可以看到，在处处存在着万有引力的宇宙空间里，空间不再是欧几里德的平直空间，物体在弯曲的空间里运动，匀速直线运动必定会与引力等势面相交，因此，不受到外力作用的匀速直线运动是不可能永远继续下去的，要使不受外力作用的物体匀速运动能持续维持，物体必须沿着引力等势面运动。只有当离引力中心的曲率半

8、径相当大时，沿曲面的运动才能近似看作直线运动。也就是说，牛顿第一定律的正确描述应该是：物体在不