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参考系与坐标系---请讨论
[楼主] 作者:jiuguang  发表时间:2008/11/26 13:08
点击:5108次

如果仅限于空间,则参考系与坐标系是没多少区别的。如果说有区别的话,那也只是坐标系更接近数学,而参考系则更接近于物理。实际上是一样的。

参考系或者坐标系用于精确描述位置和运动,如果不用他们,则无法进行精确的描述。

当我们说到速度的时候,实际上我们已经预先选了一个坐标系,虽然经常并不是有意思的。

比如车速,当然是相对于地面参考系的速度。如果选择地心惯性系,则车速就完全不一样了。而且向东、西,向南、北开,都会有不同的力学效应,不仅有速度上的不同。如果选用日心参考系,那就会有更大的变化,甚至我们很难算清楚我们在向何方运动。而在日心系中,就只有运动了,我们几乎找不到静止的可能,日心是静止的吗?恐怕不一定。

坐标系与参考系的实质性差异,在于通常说的参考系是时空参考系。爱因斯坦常用尺和钟来比喻空间和时间。我们可以用尺做一个空间框架,也就是一个坐标系。我们是可以同时看到整个框架,或坐标系的一个局部。但时间不具有这样的性质,我们只能看到钟指示某一时间,虽然时间在变化,我们通过钟看到的只能是时间点,而不是时间轴。我们不能直观的看到时空坐标系,这是与传统坐标系概念的重大不同。不过我们可以在图中表示出时间轴,比如记录的地震波,示波器等,里面都有时间轴。

应该回归到坐标系和坐标变换来理解参考系,而不要局限在爱因斯坦等解释相对论时所举的那些不恰当的例子中,片面的理解参考系。

 

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[楼主]  [2楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2008/11/26 21:02 

关于参考系有很多错误的观点。例如,经常有人说,这是一个参考系,那是一个参考系,并延伸出一些错误的解释。
其实我们只能说,例如某人,在这个参考系中是什么状态,同时在另外一个参考系中是什么状态。而不能说此人在哪个参考系中。列车可以对应一个参考系,坐车的人可以在这个参考系中。同时他肯定也在其他参考系中,包括地心系,日心系等。
考虑到以上事实,所谓绝对参考系就让人莫名其妙了,是否你始终认为一切都在以未知方向和速度,不停运动呢?

无疑只能有相对静止,而运动则是绝对的。
 [3楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/26 21:25 

【无疑只能有相对静止,而运动则是绝对的】
你的运动又何尝不是相对的?【当我们说到速度的时候,实际上我们已经预先选了一个坐标系】就是证明。可惜,你错了!应该说:位移是相对的,静止与运动都是绝对的,可以自身测量的。
 [4楼]  作者:马国梁  发表时间: 2008/11/26 21:39 

参考系是用来作参考的另一物质系统,坐标系是标有刻度的某一测量系统。坐标系不一定用来参考,参考系不一定标有刻度。他们是两回事,两回事!
 [5楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/26 21:46 

【参考系是用来作参考的另一物质系统,坐标系是标有刻度的某一测量系统。坐标系不一定用来参考,参考系不一定标有刻度。他们是两回事,两回事!】
谁说参考系不一定标有刻度?应该说:参考系是具有参考物的坐标系。
[楼主]  [6楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2008/11/27 01:12 

不要从字面上来理解物理和数学概念,不可以望文生义。
参考系中的x,y,z不是坐标吗?既然有x,y,z值,当然也是有刻度。

首先请诸位明确一下,是否可以建立日心参考系?
“静止是绝对的”如何解释?在日心系中有绝对静止的物体吗?
 [7楼]  作者:mayingzhuo  发表时间: 2008/11/27 09:38 

对【5楼】说:

 

      ****参考系是具有参考物的坐标系。***

^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

这应该是"参考系"的标准"定义".

 [8楼]  作者:拉方  发表时间: 2008/11/27 09:59 

“参考系和参照系”都是物理学者诡辩说法。
实质都是指“坐标系”。
因为“参考系”“参照系”都可以回避“绝对坐标系”“静止坐标系”,一种模糊的更令人相信的似是而非的说法!所以是诡辩说法。
今后物理学要用《科学大典》取缔“参考系”“参照系”说法。
支持3楼王飞说法。
这就叫做绝对物理学。
[楼主]  [9楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2008/11/27 10:55 

所谓参考系,其实是英文的“space-time frame”(空-时框架),不知道是不是原来就这么用,反正现在都是这样用的。中国人通常使用参考系也不过是一种习惯,不要只从中文字面上理解,更不要做些没必要的拓展。毕竟绝大多数科学论文都是用英文写的,中文表述对世界大多数科学家来说并不重要。

所谓“绝对坐标系”,更本就不存在。因为在无限宇宙中不可能有中心。在现代宇宙学的有限宇宙中,宇宙也是没有中心的。除非你认为宇宙是有限而且有中心的,不过即使如此你仍然不可能找到中心。不知道原点应该在那里,绝对坐标系就没有任何意义。
所谓“静止坐标系”恐怕是广义相对论的局域惯性系的翻版吧?坐在家里和坐在车上坐在飞机上应该一样吗?
 [10楼]  作者:拉方  发表时间: 2008/11/27 11:37 

9楼言论,已经完全失去“物理学者”身份。到别的什么论坛,例如什么功法论坛,去吧。
[楼主]  [11楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2008/11/27 13:42 

本人不敢自称学者。不过也不认为10楼的自创功法能得到多少人的认同。
自己搞套理论,自我欣赏也无可厚非。但也没必要将其当什么功那样崇拜。
科学就是要讲道理。否则就像什么功那样了。
 [12楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/27 13:55 

宇宙有没有中心不重要,关键我们生活工作的空间有中心,局部中心发出的场物质作用于你,因此,你的运动与静止是有区别的,这当然与宇宙中心、背景辐射无关。
 [13楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/11/27 20:46 

对【2楼】说:

“无疑只能有相对静止,而运动则是绝对的”

老刘此言差异,先不说运动是否绝对,只说运动速度的大小总是相对的吧?
其实任何物理量只要涉及到大小、定量的问题,就都是相对的?否则就无大小可言了?

 

坐标系与参考系确实看不出很大区别,也许只能默认坐标系是有观察者的,
参照物或参考系大概只是供坐标系内的观察者观察时,做对比参照用的东东?
大概是有这种主动与被动的差别?

[楼主]  [14楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2008/11/28 01:21 

“运动是绝对的”并非本人提出的,而是早就有了的说法。
速度,方向等和静止一样是相对的。
我认为,运动是绝对的指的是,物质一定是运动的。而静止只是相对的,暂时的。

坐标系里也未必需要观察者。例如绘制月面图,当然应该有一个坐标系。
如果那里有观察者的话,也是多余的。与我们看图没有任何关系。
 [15楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/28 10:10 

对【13楼】说:
【只说运动速度的大小总是相对的吧?】
如果承认【运动速度的大小总是相对的】,就是承认“运动是相对的”,相对论的毒素何时能排尽?

[楼主]  [16楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2008/11/28 11:14 

绝对速度,在哥白尼时代及更早的时代是有意义的,因为那时候都假设有一个宇宙中心。绝对速度就是相对于宇宙中心的速度。
牛顿时代,人们已经意识到太阳也不是宇宙中心。牛顿只是假设有一个惯性系(绝对空间),而此惯性系与相对其作匀速直线运动的其他惯性系之间没有质的区别。因此没有特别的绝对空间。

反对相对论也需要以科学的方法,不以主观愿望决定。


 [17楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/28 15:32 

对【13楼】说:

正是由于原始朴素的绝对速度观的漏洞被发现,而当时人们又不能找到更好的解释,于是才出现了相对论,这并不是进步,而是人类认识史上的一次大曲折。相对论是可笑的,你能说太阳绕地球转吗?尽管地球太阳中心说不很正确,还是认识的一大进步,相对论对人类科学史不会有任何贡献,除了做反面教材。

[楼主]  [18楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2008/11/28 20:16 

似乎你说的相对论,是伽利略和牛顿的理论?爱因斯坦的相对论其实有完全不同的含义,因而引起争议。
不承认相对,搞一个绝对出来又毫无实际意义。那么还能剩下什么呢?


※※※※※※
-150
 [19楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/28 22:23 

目前我们能够接受的相对性原理仅为伽利略的相对性原理,范围仅限牛顿力学。
[楼主]  [20楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2008/11/29 08:48 

绝对坐标系是牛顿之前的东西,现在发掘出来能有什么意义?
 [21楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/11/29 16:20 

没有什么绝对坐标系,只是研究声波就一定要考虑到声媒介坐标系,
研究电磁波也应该有个“媒介坐标系”的问题,不过如此而已?
只是在寻找电磁波“媒介坐标系”时,遇到了暂时的困难和曲折?

其实相对论和量子力学都是这个曲折的产物,本来作为过度理论之一,也确实有其存在的价值?
问题是这两个理论建立的同时,完全排除了以太论存在的价值,这才是科学近百年来最大的失误?

其中还夹杂着对上帝、地心说、进化论、工业化社会等问题的心理因素,
正当人类自大于高速的工业“进化”时,却发现自己的生存环境严重的“退化”了,
正当大家满足于日心说的正确时,却发现原来自己难以到太阳上去观察宇宙,
还是要在地球上继续标注古老的星系图,飞船也是一样,以自己为中心的观察必不可少,
正当学者们嘲笑以太的落伍时,却发现中微子也有静质量,宇宙中还有自己未知的暗物质,
光速还有可能是相对的,电子束还有可能受到光波的干涉引导,原子还有可能与回旋加速器产生联系,...,

大革命后的英国在破除了对上帝的迷信后,随之而来的是欲望的泛滥,帝国的迅速扩张,毒品的迅速泛滥,
之后,各国纷纷效仿,二战及后的核冷战达到了顶点(包括各种主义的欲望膨胀),今后会向何处去呢?
这个星球是否能理性健康的发展下去?是个未知数,
只能说匹夫有责,尽力而为吧,

 [22楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/30 13:49 

【没有什么绝对坐标系,只是研究声波就一定要考虑到声媒介坐标系,
研究电磁波也应该有个“媒介坐标系”的问题,不过如此而已? 】
这话很对!或者可以更明确地说:没有牛顿的绝对静止系,局部静止系还是存在的,就如空气之于声,但就没有统一的空气系。
马赫曾说:地球相对宇宙转动与宇宙相对地球转动是一样的。就是说物理现象一样,也就是物质作用论。其实马赫想表达的是相对性原理,但在我看来,他告诉我们地球的非惯性并非来自真空,而是宇宙物质作用,这样不但惯性系是物质作用,惯性也不是物质的属性,而是宇宙物质存在的结果。一切物质运动都与宇宙物质存在有关,宇宙存在的状态决定了惯性系乃至静止系的位置。但是宇宙的浩大、分布相对速度不同,使得宇宙无法形成牛顿的统一的惯性系与单个绝对静止系,宇宙注定是局部的惯性系与静止系。当然,我们必须再次定义静止系,那就是相对于该系静止时无法测量自身的速度,或运动时可以自身测量相对于静止系的绝对速度。
很多反相的朋友只反对光速不变,却不反对相对性假设,其实这是自相矛盾的。如果光速有媒体,那么你就可以以光速的各向异性来判断自己的绝对速度,如果你认为绝对速度不可测,就等于说光速对你(观察者)是各向同性的,也就是光速不变,那你还反什么相对论?可以说,相对论的两个假设是相互联系,一荣俱荣,一毁俱毁的。
[楼主]  [23楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2008/11/30 21:55 

对上帝的迷信没有变化,不会因为科学的进步减弱。
伯格曼的《相对论引论》已经介绍过相对论以前的漂移以太说,似乎与杨的观点类似。
同时也说明了此说的不能克服的问题,书中可能因为有翻译或编辑的问题,文字可能有误,让人看不大懂。
不过我仍然可以想象出当时遇到的问题。比如太阳,地球,月亮等各自有一层包裹着他们的以太,光在其中各自保持为常数。但在这些以太之间是有相对速度的,光在穿过这些以太时,不可避免的会有折射,或方向的变化。
如果无法克服这一困难,那么你的研究,恐怕还是停留在上世纪初。抱歉可能说的过了。

马赫的理论,更多的是作为哲学而存在的。从物理角度看,他的理论当然不对。“地球相对宇宙转动与宇宙相对地球转动是一样的。”根本是不可能的。只是没有物理学家会去评价哲学家的观点而已。
从哲学角度看可能有些道理,并不表示从物理角度看也正确。
 [24楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/30 23:55 

【马赫的理论,更多的是作为哲学而存在的。从物理角度看,他的理论当然不对。“地球相对宇宙转动与宇宙相对地球转动是一样的。”根本是不可能的。只是没有物理学家会去评价哲学家的观点而已。
从哲学角度看可能有些道理,并不表示从物理角度看也正确】
=======================================================================================
你可能对马赫有误解了,马赫是物理学家、生物学家、心理学家,其次才是哲学家。我引述的话完全是他物理的考虑,你如何看出【从物理角度看,他的理论当然不对】,又如何认为【从哲学角度看可能有些道理,并不表示从物理角度看也正确】?
[楼主]  [25楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2008/12/01 11:15 

哲学思考,则“地球相对宇宙转动与宇宙相对地球转动是一样的。”应该是可以接受的。实际上哲学有很多流派,什么稀奇古怪的东西都有,上述观点还算正常。

从物理观点来看,“地球相对宇宙转动与宇宙相对地球转动是一样的。”的说法根本是错误的。两种运动完全不一样,几乎没有一点"一样"的可能性。当然,我们可以看到天转而地不转,但那不是物理。

不要以为有人称其为物理学家,就认为他是物理学家。他的这些说法恐怕不是出自物理论文,而是哲学论述。
 [26楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/12/01 14:20 

【哲学思考,则“地球相对宇宙转动与宇宙相对地球转动是一样的。”应该是可以接受的。实际上哲学有很多流派,什么稀奇古怪的东西都有,上述观点还算正常。 】
你要搞清楚什么是哲学,哲学研究的是世界观和方法论,不是具体的科学问题,“地球相对宇宙转动与宇宙相对地球转动是一样的”显然已经超过这个界限,属于物理问题了。


【从物理观点来看,“地球相对宇宙转动与宇宙相对地球转动是一样的。”的说法根本是错误的。两种运动完全不一样,几乎没有一点"一样"的可能性。当然,我们可以看到天转而地不转,但那不是物理。】
你把“地球相对宇宙转动与宇宙相对地球转动是一样的”理解为宇宙绕地球转的托勒密的某些错误思想?那你就大错特错了,马赫强调的是物质作用论(物理机制),也就是风吹你与你运动的空气作用上具有的物理结果是相同的。在这里,马赫的思想显然发现作用力与反作用的联系,地球旋转在没有宇宙物质的真空里,不会有离心力,如果周围有许多天体绕着地球转,地球就会有离心力产生。


[楼主]  [27楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2008/12/01 14:43 

我当然知道马赫的观点。
请解释一下,怎么可能“宇宙相对地球转动”?怎么能与“地球相对宇宙转动”一样?
所谓没有宇宙就没有离心力,与没有人就没有这种理论,没什么区别。
 [28楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/12/01 17:07 

【请解释一下,怎么可能“宇宙相对地球转动”?怎么能与“地球相对宇宙转动”一样? 】
这还用说吗?【26楼】已经说得很清楚了,你以为惯性力是物质的属性?没有反作用力?牛3定律要修改?毫无疑问,地球不动,宇宙绕地球转,必将产生与地球转动同样的离心力。当然说地球不动是奇怪的,似乎是说相对真空不动,但真空何时能有相对速度?
 [29楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/12/01 18:32 

这个事说来话长,看似简单,其实也不尽然,我也是反复考虑了多次,再试试吧,

其实只是由于太阳与地球这个旋转系统的旋转中心O非常靠近太阳质心,
才使得“日心说”与实际的观测结果十分的接近,
但从理论上说,应该是“旋转系统中心说”,
即从这个“系统中心”O看,才能得到准确的地球离心力和太阳离心力,
或者说:才能使得GMm/rr = mωωR1 = MωωR2
其中:
ω是从O点观测到的两星球角速度,
R1是地球到O的距离,
R2是太阳到O的距离,

这大概就是运动学与动力学之间存在的那个老问题了?
从运动学看,任何运动都是相对的,速度v的大小与观测点的运动状态相关,
可是从动力学看,至少运动速度的变化Δv不是相对的,不能任意选取观测点,

正是由于运动的相对性,决定f=ma的一个难免缺陷,
即除了外力f可以改变一个物体的速度v,观测点的运动状态不同,也可以改变速度v,
前人解决这个问题的方法就是引入了“惯性力”这个概念,

回到“宇宙相对地球转动”的问题,同样为了解决运动的相对性与f=ma的矛盾,
同样需要引入一个惯性力---向心力(类似离心力,都是惯性力),
一般的两体旋绕问题可以分成两种情况:
1、从旁观者So坐标系看,小球S1与大球S2用绳连接旋转(绳长=L),
该系统的旋转中心O与大球的质心O2近似重合,
So可以轻松使用f=ma,没有问题,实际测量到的绳力fo确实等于f=ma,
从小球S1和S2看(封闭系统),对方相对自己静止v=0,f=ma=0,于是应该是绳子内力fo=0,
(注意:此时观察坐标的指向也在变化)
可实际并非如此,于是只好引入惯性力F'=fo,
注意这个惯性力F并不是我们一般所说的“离心力”,因为这里的v=0,
这个F'只是那个为了弥补f=ma缺陷的东东,相当于连接两个静止球的绳子被F'拉伸,

2、两球用绳和滑轮连接,滑轮放在球中心,这样可以保持两球互旋时,其观察坐标指向不变,
于是两球互测的结果是相同的:对方相对自己的线速度是v,
从大球S2看,由于系统旋转中心O基本与O2重合,所以大球计算出的小球惯性离心力=mvv/L≈fo,
从小球S1看,O与O1的位置相差就多了,所以小球算出大球的离心力=Mvv/L≠fo,
所以小球就不能假设简单的假设惯性力=Mvv/L了,需要假设:
惯性力F=Mvv/L - F',
这就是地球观察者需要做出的假设,同样,也只是为了弥补f=ma的缺陷而已,
(一般很少说到这个“惯性向心力”?)


总之,要想消除这个F'和近似表达mvv/L≈fo,
就只有选取两球的实际旋转中心O为参考点,
这样假设:小球到O的距离=R1,大球到O的距离=R2,
那么从O观察到的线速度v就不同了,得到的是ωR1和ωR2 ,
对于上面的情况2,最后就得到:
实测绳力fo= mωωR1 = MωωR2,
对于星球之间的万有引力来说就是:
GMm/rr = mωωR1 = MωωR2

所以,从运动学看,谁观察谁的结果都是正确的,
地球人说自己看到太阳围绕自己在旋转,这个说法没有错误,不信就走出房子看看?呵,
太阳人说自由看到地球围绕自己在旋转,也没错,

从动力学角度看,要弥补相对运动产生的问题,就要引入“惯性力”的概念,
对于旋转运动,要想统一用惯性离心力=mvv/r的表达形式,是有条件的,
条件就是:必须选择旋转系统的旋转中心O(或旋转系统的质量中心)为观测点,
否则就只有用一般的惯性力表达:F=Mvv/r ± F'

也许最后的解决办法可以考虑引入“相对加速度”和“相对力”(惯性力)的概念,
比如两个同加速度的物体,它们之间的相对加速度=0,所以相对力=0,
对于平动系统,可以限定f=ma的适用条件是:具有相同初始加速度的物体系统,
(大直径的圆周运动可以近似为平动处理)
对于转动系统,可以限定f=ma的适用条件是:以旋转系统中心O为观测点,
(否则不能简单的套用f=ma,需要涉及到“惯性向心力”F'的概念,另外暂不考虑坐标指向变化的情况)

还有个例子是:旁观者看到一个小球在高速自转,
而小球却看到距离它r的大球在高速围绕它旋转,
于是它认为大球具有一个惯性离心力=Mωωr,而且还有一个惯性向心力F'=惯性离心力F=Mωωr,
一般只听说过“惯性离心力”,这个“惯性向心力”就很少提起?其实就类似地球自转的情况,
这些都是运动的相对性给f=ma造成的麻烦?并不是地心说与日心说哪个正确的问题?
正确理解了f=ma的适用条件,也就不会去争论哪个“心说”更正确了?
但是为了解决具体问题的计算简化,确实存在最优或最简坐标系?


[楼主]  [30楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2008/12/01 20:27 

对【28楼】说:

"宇宙绕地球转"不过是个毫无意义的假设。只有稍微用脑袋想一想就可以知道。一是遥远天体的速度不是要以远大于光速的速度运动吗?或者需要千万倍于光速或更大得多的速度。二是天体旋转需要有多么大的离心力?且不说为什么要围绕一个小小的地球旋转了。

不管谁说的,首先应该好好想一想。否则干嘛反对相对论呢?至少应该有起码的分辨能力吧?

再加一句。马赫时代对宇宙了解很少,银河系之外的星系可能也是在很长时间之后才发现的。随着时代的发展,知识在迅速增加。对过去的理论,我们应该以现代知识重新审视,而不应该盲目相信。可能里面有一定道理,但恐怕也有一些问题。

 

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