参照系的问题-挑战相对论-西陆网

[2楼] 作者:58.252.207.* 发表时间: 2009/06/27 14:02

论参照系

广东博罗高级中学（516100）林海兵

摘要：物体运动的参照系从理论上可以任意选择，有无数多个，然而，物体的运动环境却只有一个，如果把这个环境中物质粒子相对于所选择的参照系的运动而产生的不平衡因素考虑进去，那么，无论选择哪一个参照系，所有的物理过程与物理规律都是相同的。

关键词：物体，运动，参照系，环境，不平衡，环境角速度矢量

1 参照系与伽利略变换

说起参照系，我们一定会想起伽利略变换、牛顿绝对空间与牛顿力学，也一定会想起洛仑兹变换与爱因斯坦的相对论，它在物理学的发展过程中与力和能量一起扮演着极为重要的角色，没有参照系，我们就无法描述物体的运动及运动的变化，参照系是研究物体运动及其变化的根基。

对于力学规律来说，一切的惯性参照系都是等价的，这是伽利略变换的文字描述。为了进一步说明问题，我们在地面上建立一个参照系o-xyz，则这是一个绝对惯性参照系，有一辆车，在这个参照系中运动，车上人又在车上建立了另一个参照系o’-x’y’z’来观察车上物体P的运动情况。可见，对于物体P首先必须随车发生相应的位移，然后再在车上发生了相对于车的位移，那么，对于以o-xyz为参照系的观察者而言，物体的位移，故物体的速度为，加速度为；对于以o’-x’y’z’为参照系的观察者而言，物体的位移只为，物体的速度与加速度则分别为、。如图1所示。可见无论什么情况下，地面与车上的观察者所观察的物体的速度总是有这样关系，其中是地面观察到的速度，是车上观察到的速度，是车的速度。但是对于物体的加速度，在两个参照系中的观察结果则有明显的不同。如果物体相对于绝对参照系o-xyz处于平衡状态，则有，即，这时，车上（以o’-x’y’z’为参照系）的人所观察到物体的加速，它取决于车相对于绝对参照系o-xyz的运动状态。如果车相对于绝对参照系o-xyz作匀速运动，即，则，这时，车上与地面的观察者的观察结果相同，物体都处于平衡状态。如果物体相对于绝对参照系o-xyz处于加速状态，即，这时如果，则有，即分别以地面绝对参照系o-xyz和车o’-x’y’z’为参照系，物体具有相同的加速度。因为在地面绝对参照系o-xyz中，物体的运动是满足牛顿第二定律的，或者说，此时的力是确实存在的，我们可以把它的施力物体找出来。可见，车o’-x’y’z’为参照系相对于地面绝对参照系o-xyz作匀速运动时，无论在哪一个参照系中，牛顿第二定律都是适用的！

所以，经典力学把相对于地面绝对参照系o-xyz作匀速运动的参照系称为惯性参照系。也才得到了“对于力学规律来说，一切的惯性参照系都是等价的”的结论。

注意到当，即使物体相对地面处平衡状态，即：

即有：

可见，这时，地面与车上的观察者所观察到的结果就截然不同了，车上的人观察到物体在没有力的作用下凭白无故地做起了加速运动！因此，人们认为，加速运动的车不是惯性参照系！

人们为了可以继续在非惯性参照系中利用牛顿第二定律，从此引入一个假想力，并把它称为惯性力，这个力没有施力物体，它就是使物体在非惯性参照系中凭白无故加速的原因。

2 洛仑兹变换与相对论

惯性力引入，改变了牛顿定律在非惯性参照系不能使用的现状，虽然这个力找不到施力物体，但是它使用起来却是十分方便，它使人们从此灵活了起来，从此达到一个随心所欲地选择参照系的境界！一旦碰到解决不了的加速情况，就可以毫无顾忌地引入惯性力，妙！！

这是一个成功的典范！它在力学中取得了辉煌的成就，于是爱因斯坦心动了，他想，力学规律可以适用于任何参照系，那么是不是所有的物理学规律也在这些参照系中适用呢？于是，他大胆地作出假设：

①在所有相对光源静止或者匀速直线运动的惯性参照系中观察，真空中的光速都是相同的。

②对于描述一切物理过程（包括物体位置变动、电磁及原子过程）的规律，所有惯性参照系都是等价的。

虽然，这两个假设都是建立在惯性参照系中，但是，其实质与建立在非惯性参照系中并无两样。

爱因斯坦在两个假设的基础上，通过坐标的洛仑兹变换建立了狭义相对论。

3 环境的发现

无论是牛顿力学还是爱因斯坦的相对论力学或者薛定鄂等人建立的量子力学，他们的理论描述都是“力”，可是对于什么是“力”，他们根本就不曾知道，而且他们也永远不会知道！因为他们对物理学的研究方向从一开始便已经错了，因为与一个物体的存在、运动、运动状态的变化等发生关系的，并不是只有与物体接触的其他物体，在人们眼里，在人们的习惯里，在人们经验里，似乎只有相接触的物体之间才会发生相互的作用，以致后来发生了“超距作用”的重大讨论，这个讨论的结果使人们发现了“场”，可是，到底什么“场”？“场”到底由什么构成？“场”的结构如何？人们从来没有关心过，至少关心得甚少！因为这本可以促使物理学的进一步发展。

终于有一天，笔者通过开放的气体，发现使气体分子发生加速运动并非牛顿力学中的所谓“物体间相互作用”的力，因为就算气体分子受到了“力”的作用，那么其施力物体是什么？不存在！难道这里也需要象在非惯性参照系中一样引入一个“惯性力”？不！分子间根本就没有“力”，也不需要引入这样的一个“力”！分子的加速运动只是分子在其密度梯度（或密度差）中的必然属性——笔者这样想着。这气体分子密度梯度中，分子的运动不就是作扩散运动吗？如果这样的气体中放入一个物体，物体是否会随着气体分子的扩散运动而运动呢？如果这个运动物体就是气体分子还会有碰撞产生吗？

笔者破除了“只有‘力’才能使物体加速运动”的教条，既然气体分子在没有“力”作用的情况下可以发生加速运动，难道其他物体就不行吗？当然可以，笔者想，如果把一个物体放入这样的气体中，物体无需气体分子的碰撞而产生作用力，它与气体分子的运动一样，在密度梯度中的一种运动属性。

这种气体分子密度梯度的空间不正是一个“场”吗？！这使笔者的思维又一次发生飞跃。对！所谓“场”就是某种物质粒子的某种物理量发生了象密度梯度这样的不平衡分布的空间区域！这是一个多么重要的概念，无论是经典物理学也好，相对论也好，量子力学也好……它们理论中的“场”中根本没有物质粒子的存在，只是喊口号一般叫嚷着“场是一种特殊的物质”，可“场”是怎样一种物质，它们根本就不谈！于是，凡是遇着无法解释的东西要么搬出“场”，说这里存在某种我们不知道的一种“场”，以致爱因斯坦在其广义相对论大谈引力场的产生方法——引力场是因物体加速运动的必然结果！

对“场”的研究，笔者发现了各种各样场，同时发现物体在场中属性运动的加速度与力无关，是物体在场中的一种属性：

1、在自由粒子密度梯度场中，自由物体将做由密度梯度决定的属性运动，属性加速度与密度梯度成正比，其中等于在这种粒子中横波的传播速度的平方，是环境自由粒子的密度，是物体内部同种自由粒子的密度。这就是物理学属性第零定律。

2、自由粒子在空间某一固定点的运动速度变化产生某点的速度变化率场，能够自由粒子自由穿透的并且由这种粒子构成的自由物体在这种场中的运动加速度决定于物体所处位置的自由粒子的运动速度的变化，。这就是物理学属性第一定律。

3、空间存在自由粒子的速度旋度场，自由运动的物体将做由空间粒子速度旋度与其物体的运动速度共同决定的属性运动，属性加速度分别与空间粒子速度旋度和物体的速度成正比。这就是物理学属性第二定律。

4、在自由的原子、分子温度梯度场中，自由的物体将做由温度梯度决定的属性运动，属性加速度与温度梯度成正比。这就是物理学属性第三定律。

5*、在电性子密度梯度场中，自由电荷将做由密度梯度决定的属性运动，属性加速度与密度梯度成正比。对于电荷而言，这种场是一个库仑电场或者是电压分配电场，电场强度为。这就是物理学属性第四定律。

6*、自由电荷在电性子空间中的加速势决定于电荷所处位置的电性子速度的时间变化率。这是一个静生林氏电场，场强为。这就是物理学属性第五定律。

7*、自由运动电荷的属性加速势将由电性子的速度旋度与电荷的运动速度共同决定。这是一个动生林氏电场，场强为。这就是物理学属性第六定律。

再后来，笔者的研究发现，“场”并不能解释所有的东西，笔者转而引入了“环境”的概念，因为“场”概念只能用于一些我们肉眼无法看见的暗物质或者其他很细小的微粒分布的空间区域，而实际的情况中，却是存在更多我们可以用眼睛看见的宏观物体，这些物体相互接触时，在物体内部外部也形成物体粒子的分布变化，这也应该叫做“场”吧，可是，这明显与“场”的原始概念不符，于是，笔者这才用了“环境”。另外，“环境”除了其物理意义之外，还更加广泛的意义，比如人类生存的自然“环境”、社会“环境”，再如某一场合中人们受到的心理压力“环境”等等。

在对“环境”的系列研究之后，笔者给了“力”一个准确而科学的定义——

“力”是环境不平衡程度的反映，物体在不平衡的环境中必然地产生加速运动，“力”就等于物体质量与其属性加速度的乘积，它是研究环境的不平衡程度与物体在相应环境中的属性加速度的关系的中间物理量。笔者把这个定义称为林海兵第零定律。

在以上力的定义的基础上，笔者又总结出了林海兵第一与第二定律——

一切物体在平衡的环境中总是处于平衡状态，直到环境由平衡向不平衡转化迫使物体改变其原来的平衡状态为止。这是林海兵第一定律。

一切物体在不平衡的环境中总是做加速运动，其加速度取决于各种环境不平衡的程度。这是林海兵第二定律。

物理学属性七定律与林海兵三定律勾勒出解决所有物理难题的光明前景，当然，对于非惯性参照系中惯性力、光速是否恒定等等物理学规律的适用问题提供良好解决途径。

4 参照系中的物质环境

无论经典物理还是近代物理或者现代物理中，特别是牛顿力学和相对论力学，它们提及空间的概念，尽管它们所描述的空间有所不同——牛顿力学认为空间是绝对的，空间两点间距离不会因其他因素而生产变化，相对论力学则认为空间是相对的，两点间距离则随着物体的运动速度大小而发生变化；但是它们却有两个基本的共同点——①可以在空间建立参照系来描述物体的运动及运动的变化，②空间是绝对真空的空间，空间根本不存在任何物质粒子。

也许马上有人会提出反对意见——无论牛顿力学还是相对论力学，都没有作出过“空间是绝对真空的空间，空间根本不存在任何物质粒子”的论断！的确，在两个理论的任何一处您都不会发现有这样的论断，而且它们还口口声声地说真空并不是真空，真空中存在着象“场”这样的特殊物质。但是，您知道“场”是什么东西吗？“场”物质运动吗？物体的运动会引起“场”物质的运动变化吗？“场”物体的运动变化对物体的运动又会产生怎样的影响呢？如果在没有“场”的空间，物体的运动是否会产生“场”？当我们选择不同的参照系时对“场”是否有影响？……这些问题，牛顿力学与相对论力学解决了吗？没有！正因为没有，牛顿力学必须在非惯性参照系中引入“惯性力”的概念，正因为没有相对论力学中才需要“光速不变原理”作为基础！这样的物质有与没有有何区别？

空间（真空）确实不空，那里有大量的物质粒子，也正是这些物质粒子，构成了我们生存的自然环境，构成了物体运动的环境，而且对我们的生存对物体运动产生了实实在在的影响，所以，每当我们选取一个参照系，我们就必须考虑空间这些物质粒子相对于这个参照系的运动、分布情况，考虑这些物体粒子的运动与分布对物体在这个空间的运动及运动变化是否产生影响。这些东西就是我们必须考虑的物体存在与运动的环境因素。

或者说，对于不同的参照系，环境物质粒子的运动情况会发生变化，甚至完全不同，因此对物体产生的属性运动的结果也因此不同。

5 惯性参照系与非惯性参照系

空间存在着某些物质粒子，这些粒子总是均匀地分布在某些物体附近，或者说与这些物体保持相对静止，如果我们选择这些物体为参照物并建立了坐标系，而我们要研究的物体正好在这些物质粒子环境中运动，而且也只受到这些物质粒子的影响，那么，这个参照系是一个惯性参照系，而且是一个绝对惯性参照系，绝对惯性参照系的物质粒子的分布总是均匀平衡的。正如我们地球，忽略其自转运动的影响，由于中性子只是在竖直方向运动进入地心，同高度水平方向的中性子的分布总是均匀的，故我们地表沿水平面建立的坐标系就是一个绝对的惯性参照系。但是，由于受中性子密度梯度的影响，使其竖方向建立的坐标系并不是惯性参照系，只是此时我们把物体在这个方向的加速度认为是地球对物体吸引力产生而化解了本来存在的矛盾而已。

所以，所谓的绝对惯性参照系是指相对于中性子静止的参照系。而相对于中性子并非静止而是做匀速运动的参照系则是一般的惯性参照系。对于那些相对于中性子做变速运动的参照系则是非惯性参照系。

6 参照系中的物质粒子运动对物体运动的影响

由于中性子可以自由穿过所有的物体，所以，无论参照系有多么好密封程度的外壳，当参照系相对于中性子发生运动时，它的外壳总是不能阻碍中性子在参照系内外的穿行。

6.1 惯性参照系的光速与声速

设在一个密闭的车厢内，车厢一端的座位上坐着一个观察者，另一端的桌子上固定着一个手电、一个闹钟，光滑的地面上放有一个金属球，车厢天花上挂着一个滴水的吊瓶……车厢内的观察者观察车厢内发生的现象时，他无法通过车厢外部的景物进行对比判断，他的观察只能以车厢为参照系。

当车厢相对于中性子静止不动时，他将观察到的现象是：从手电发光到他看到经过时间；闹钟的响声需他才能听到；金属球依然停在原处；吊瓶的滴水滴在其正下方……

当车厢相对于中性子匀速向他的前方运动时，他将观察到的现象将是：从手电发光到他看到经过时间已经小于；而闹钟的响声仍然需他才能听到；金属球依然停在原处；吊瓶的滴水滴在其正下方……

当车厢相对于中性子匀速（设没有加速过程，下同）向他的后方运动时，他将观察到的现象将是：从手电发光到他看到经过时间却大于；而闹钟的响声仍然需他才能听到；金属球依然停在原处；吊瓶的滴水滴在其正下方……

这些现象的发生都是由中性子及空气在车厢内部形成的环境造成。由于中性子可以穿过任何物体，所以，当车厢相对于中性子匀速运动时，而观察者却以车厢为参照系，故中性子相对于车厢也就匀速运动，中性子相对车厢的速度与车厢相对于中性子的速度大小相等方向相反，故在车厢内的任何一个固定点位置上，中性子速度的时间变化率（必然注意，它不是中性子的加速度，因为它不是同一个中性子的速度的时间变化率），根据物理学属性第一定律可知，物体在这样环境中产生的属性加速度，又这些物体原来都相对于车厢处于静止状态，故仍保持原来状态。空气是声波的传播媒质，因空气分子在密闭的车厢内部并不会穿过车厢，故空气分子也象其他一切物体一样保持原来状态，所以，车厢相对于中性子的匀速运动并不改变声波的传播速度，这造成闹钟声音总是经过相同时间才能被观察者听到。手电发出的光的传播却大不相同，当车厢向前运动时，中性子相对于车厢则向后运动，而中性子是光的传播媒质，中性子向后的运动无形中增大的光的传播速度，这能不减少光向人的传播时间吗？当车厢向后运动时，中性子相对于车厢则向前运动，使光的传播速度与中性子运动速度相反，即和反向，其等效传播速度将减小，这能不增大了光的传播时间吗？

爱氏的相对论正是不知道光的传播媒质是中性子，更不知道当参照系相对于中性子运动时，中性子可以自由的穿过参照系，使光在参照系的传播速度发生改变，这才产生了所谓的“光速不变原理”。试问，这样建立起来的理论能够正确吗？

6.2 非惯性参照系中的惯性力

A 直线加速惯性力

还在上面那个车厢中，当车厢向前以加速度作加速运动时，可以知道，空间的中性子相对于车厢也以相同的加速度穿越车厢外壳，使车厢内空间所有位置的中性子速度越来越大，这就在车厢内产生了中性子的速度变化率场，这时，由物理学属性第一定律可知，所有在此环境中的物体都因这个场而具有属性加速度。由于中性子相对于车厢的速度与车厢相对于中性子的速度大小相等方向相反，故有。这就是车厢上的观察者所观察到的金属球的加速度，一个找不到施力物体的“惯性力”产生的加速度。

实际上，谁说施力物体，力是什么？林海兵第零定律已经指出：“力”是环境不平衡程度的反映，物体在不平衡的环境中必然地产生加速运动，“力”就等于物体质量与其属性加速度的乘积。这个“惯性力”的施力物体不就是它所在的不平衡的中性子环境吗？！当我们考虑了环境物质粒子在这个参照系中的分布及运动情况下，这个“惯性力”的产生不就合情合理了吗！

B 离心惯性力

还在那辆车厢上，此时，车厢并不是平动，而是以垂直于车厢内的某直线作为转动中心以角速度逆时针转动，如图1所示。这是一个圆形的车厢，对于车厢外的观察者而言，它是逆时针转动的，也就是车厢相对于中性子的转动方向。对于车厢内部的观察者而言，车厢是静止不动的，他通过分析发现，在车厢内部的中性子并不是静止不动的，而是在发生着顺时针的转化，角速度也为。如果此时，金属球也同时随着车厢一起转动，则中性子经过金属球所在的位置A点时，它们的速度虽然是相同的，可是它们的方向存在着一个微小的差别（如图2所示），或者说，在A点的中性子的速度也具有速度的时间变化率，故金属球在这个位置就存在着一个属性加速度。

为了求解金属球的属性加速度，我们画出了以车厢为参照系的中性子的运动情况（如图3所示），可见，运动在前面的中性子先行经过金属球A，其速度为，后经过A点的速度为，故经过A的中性子的速度改变量为：

从图3可知，是速度三角形的底边，当其顶角很小时，其大小有，因，故有：

此时，的方向正好是圆的半径方向，即有：

这就是我们所说的离心惯性加速度，其中是半径方向的单位矢量。根据林海兵第零定律对力的定义得到，这就是金属球在随车厢转动时受到离心惯性力。可见，离心惯性力也不是找不到施力物体的，其施力物体就是相对于物体运动的参照系具有速度时间变化率不平衡的中性子环境。

C 科里奥利惯性力

正是车厢在不断的转动着，以车厢为参照系的观察者则应该考虑到中性子相对于车厢也在不断的转动着，故这些相对于车厢不断转动的中性子环境就具备了另一种场——速度旋度场，笔者称为环境角速度矢量。把根据物理属性第二定律可知，在环境粒子速度旋度空间运动的物体一定具有另外一种属性加速度，它取决于环境角速度矢量与物体在参照系中的速度的叉积：

此时，由于正好是中性子在此参照系中的角速度矢量的两倍，是中性子相对于车厢运动的角度速矢量，它与车厢相对于中性子环境的角速度矢量大小相等方向相反，故有：

这就是所谓的科里奥利加速度，根据林海兵第零定律有，这就是科里奥利惯性力。

如果车厢是完全光滑的，那么当车厢转动起来时，金属球相对绝对惯性参照系而言是保持静止不动的，可是，如果以车厢为参照系，金属球则做匀速圆周运动，它的向心力由什么力提供？通过分析，我们容易知道，金属球在车厢内运动的中性子环境既包含中性子速度变化率场也包含中性子速度旋度场。速度变化率场环境对金属球产生了离心惯性力：

而中性子速度旋场环境对金属球又产生了科里奥利力：

通过矢量分析可知科里奥利力方向是向心的方向，正好与离心方向相反，又，故有：

所以，作用在金属球上的环境属性力大小为：

这就是金属球作匀速圆周运动的向心力。

可见，科里奥利力也不是找不到施力物体的力，它的施力物体正是物体所处的不平衡的中性子环境。

由上面的分析论述可知，在转动的非惯性系中的物体可能同时存在两种惯性力——离心与科里奥利力，物体受到的力都等于这两个力的合成。

7 结论

以上所有论述，给了我们一个深刻印象，力实际上并不物体对物体的作用，而是物体在不平衡环境中必然结果，或者说，不平衡的环境就是力的施力物体。在研究物体的运动及其变化时，只是建立参考坐标系是远远不够的，更重要的是在建立参照系之后，必须分析物质粒子相对于这个参照系的分布及运动情况，因为这是我们要研究的物体的存在与运动的环境，这个环境如何，决定了物体之后的运动及变化情况。

当我们考虑了所有环境因素的影响之后，物体的运动情况则成为环境不平衡的必然结果，不存在什么惯性力，而且此时，无论怎样选择参照系，所有的物理过程与物理规律都是相同的，即物理学属性七定律与林海兵三定律适用于所有的参照系，所不同的最后得到描述物体运动的具体的量，如速度、加速度、能量、轨迹方程等等。由此，我们从中也可以看到，以静止的中性子为参照系的绝对惯性系的无比的优越性。

完稿于2005年12月1日星期四

8 参考文献

[1]林海兵《论线圈导电》

[2]林海兵《统一场论》

[3]林海兵《论牛顿运动定律》

[4]林海兵《自然相对论》

[5]林海兵《论非惯性系中的科里奥利惯性力》

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