|
惯性系的理论重建及相对论的错误 在应用牛顿第一、第二定律研究物体的运动和力的关系时，要遇到惯性系和非惯性系概念。然而，惯性系的理论在力学体系中并不完备而且存在着严重的问题。惯性系的概念在牛顿力学中表面上不经常应用但实际上是离不开的，凡有运动就必然涉及参考系，只不过大多不需要明确指出而已，因而给人的印象是惯性系理论并不重要。其实惯性系问题不那么简单，牛顿力学以外的理论还是要用惯性系概念的，狭义相对论就是以惯性系为基础甚至为内容的。现有的关于惯性系的论述大多片面，因此有必要重新构建一个完整的惯性系理论。 本文要点：定义基本参考系概念和确定参考系性质；解释静止和运动概念，引入并定义实动和虚动、单体运动和二体互动概念；指出运动相对性论断的错误并做出正确的解释；论述运动的物体不可做参照物；论述惯性系之中的力学规律不可推广到惯性系本身和惯性系之间去；论述光本身的速度和相对惯性系的光速不同；论述与惯性系有关的狭义相对论错误及悖论不成立。 一、惯性参考系的理论构建 （一）参考系的定义和性质 1、关于参考系的定义 （1）参照物的定义：为了描述物体的运动而被选做对照比较的物体叫做参照物。 （2）参考系的定义：为了描述物体运动的规律及确定物体的位置或位移，在选做参照的物体或物体系统上建立坐标系而叫做参考系。 （3）基本参考系的定义：为一般的参考系确定的终极的参照基准；说物体或参考系的静止、匀速直线运动或有加速度运动最终都是相对基本参考系的；根据物体运动的不同空间尺度，可选取地球及附近空间、太阳系、银河系作为基本参考系。 （4）静参考系的定义：地面上静止的物体或根据需要选取地面的某一局部作参考系均可叫做静参考系。 （5）动参考系的定义：相对静参考系运动的参考系叫做动参考系。 （6）惯性系的定义：牛顿第一定律和第二定律无条件成立的参考系或处于静止、匀速直线运动状态的参考系叫做惯性系。 （7）非惯性系的定义：牛顿第一定律不成立、牛顿第二定律附加条件成立的参考系或有加速度运动的参考系叫做非惯性系。 （8）静惯性系的定义：相对地面静止的参考系叫做静惯性系。 （9）动惯性系的定义：相对地面作匀速直线运动的参考系叫做动惯性系。 以上定义是本文提出的参考系定义，有的定义可能与书上已有的定义在文字上有差别。本文定义是为了表述方便而做出的，没有另起炉灶的意思。不同表述的定义只是语言习惯上的差别，意思基本是一样的。 惯性系和非惯性系是惯性参考系和非惯性参考系的简称。静惯性系和动惯性系统称惯性系，在需要区别惯性系处于静止还是匀速直线运动时才分静惯性系和动惯性系。通常说的参考系即静参考系，静参考系也就是静惯性系。 所谓动参考系是涉及牵连运动时用到的参考系，如运动的火车上行走的人对路基的速度及距离。动参考系包括动惯性系和非惯性系。动参考系概念用时不多，只是在考虑物体的运动而不管有无加速度时用到，一般对动参考系的使用还是选用反映本质特征的动惯性系或非惯性系。 参考系是各种具体的参考系的统称，它是在现实的物体上建立坐标系而构成的数学物理模型。物体除有大小外，还分形状、材料、结构、性质等要素，取做参考系后，这些要素统统忽略去，只利用其大小和运动状态。参考系在应用上是一个静止或运动的坐标系，但不可看做仅有数学意义的坐标系。 2、参考系的性质 （1）参考系的物质性：无论惯性系还是非惯性系，都不能离开具体物体而存在，谁见过一个空的坐标系在空间运动。当我们为了研究的方便，视参考系中没有与问题无关的物体，是一种忽略，而不是数学意义的抽象。惯性系和非惯性系是有物理意义的，不存在不以物体或物体系统为依托的纯数学意义的参考系。参考系的运动代表物体的运动。 （2）参考系的有限性：物体或地面上建立坐标系，坐标系的大小是有限的，坐标系空间不能脱离参照物而无限扩大。我们研究火车从北京到天津，静参考系也就是北京站和天津站及二站之间的铁路线，如果将北京市和天津市及之间的广大地区都包括进去就没有必要。以运动的汽车为惯性系或非惯性系，研究车内人或物的位置或运动，坐标系也就限于汽车的大小。 （3）参考系的变换性：选定的参考系并不是固定不变的，这是指在长期的运动过程的研究中，有时要在运动的不同的情况变换参考系。如发射飞船到火星，火箭在刚发射时，主要研究它相对于地球的运动，所以把地球选作参考系；当火箭脱离绕地球运动的轨道时，为研究方便，选取将太阳（包括火星运行轨道）作参考系；当飞船进入绕火星运动的轨道时，可选火星作参考系。 （4）静参考系和动参考系的相对性：从一个有包含别物体的大物体中分离出一个被包含物体的参照关系，原物体为静参考系，分离出的物体可为动参考系。如研究由地球出发的飞船，地球是静参考系，飞船是动参考系，而飞船相对其中的人或物又是静参考系。以地球为静参考系，月球为动参考系，月球上的宇航员又以月球为静参考系，以月球车为动参考系。 （5）惯性系与非惯性系的互变性：以汽车为参考系，平直公路上匀速运动的汽车可当做惯性系；当汽车加速或减速运动时又可当做非惯性系；汽车的速度大小不变在弯道上运动时，汽车又可当做非惯性系，但与直线运动的非惯性系是不同类型。因此，实际研究中，同一汽车可能分别研究其惯性系问题或非惯性的问题。 （二）相关概念的解释 1、静止和运动 静止的词义世人皆知，平时人们说静止是相对地面不移动的物体而言的，这是文学或语言上的静止。而物理学上的静止是相对的，即静止的物体相对判定自己静止的物体外的物体可能又是运动的。例如：地球相对表面上的物体是静止的，而对太阳或别的天体又是运动的。因此，物理学中的静止，不同于语言文学中的静止。物理学中的静止不但指物体相对地面不移动，而且也指对地面做相同运动的两物体相互间存在的静止，如两辆同速运动的汽车之间的静止。从物体的静止和运动要由观察者来判定的立场上看，观察者不作自主运动，相对观察者不运动的物体即是静止的。 运动是绝对的，宇宙中一切物体都是运动的。静止是相对的，宇宙中没有绝对静止的物体，但一切运动的物体又存在着相对静止，那么我们怎样理解和解释物体的运动和静止呢？首先要确定静止对谁而言，即所谓静止是一物体对另一物体而言的，是相对的静止；然后比较两物体的相对位置，当两物体的相对位置不变时，就说两物体相互间是静止的。由此推论：惯性系内各种物体对惯性系的位置不变均为静止；惯性系内同向运动的两物体相互间的相对位置不变是两物体相互间的静止，但不要忘记它们对惯性系还在运动。 人类生活在地球上，地球对人来说是静止的，因为人随地球一道运动。当人在地面上活动时，我们就说人在运动，相对地面运动。因此我们可以这样理解静止和运动：乙物体在甲物体中随其共同运动且相对位置不变时，可以说乙物体相对甲物体静止，当乙物体的相对位置发生变化时，就说乙物体相对甲物体运动。地面上及附近运动的物体，随地面一起运动的同时又相对地面运动，就以地面为静止，如汽车、轮船、飞机等交通工具；离开地球表面运动，又随地球一起运动，以地球为静止，如人造地球卫星和空间站。 2、实动和虚动 一列火车由北京开出，按通常的运动相对性描述：“以北京或地面为参照，说火车在运动；反过来以火车为参照，说北京在运动。”人们在物理问题中解释运动相对性时都这样说，但在事实上或事理中都说不通，因为北京并没有运动也不能运动。这个例子可以说明，不同惯性参考系不是全面的等价或平权，还存在着被我们忽略的有是非原则的简单事实，还需要突破传统理论的束缚做进一步的研究并解决。 平直轨道上匀速运动的火车内的人不觉得火车在运动，而是看到火车外的景物在向车后高速运动，但人们知道只有火车在运动，地上的景物不会运动。自从有了惯性系概念及应用有缺陷的惯性系理论，这种运动与静止转化的“互动”似乎被当做真实的现象，也就无法透过现象看到本质。火车内的人看见车外的景物运动，并不是真实的运动，这种现象跟人相对镜子运动看见自己的像也在运动的道理相同。因此，本文提出并定义运动的“实动”和“虚动”：物体或动惯性系对静惯性系的运动，是真实的运动，简称为实动；动惯性系中的观察者看见静惯性系在运动，是虚幻的运动，简称为虚动。实动和虚动概念不局限于惯性运动，非惯性运动也成立。 有了实动和虚动的概念，就不会偏颇地将固定在地面上的物体说成相对运动的物体在运动。公路上向东行驶的汽车，我们说“汽车在向东行驶”，已经做了确定的表述并反映了客观事实，而非得说汽车没动公路旁的景物在向西运动，有意义吗？回答是没有的。当真把运动的物体作为相对地面静止的物体的参照，说静止的物体在运动，似乎是一种搞笑的文字或语言上的游戏。 3、运动的相对性 常见这样解释运动相对性：“当一列火车经过车站时，我们就说这列火车相对车站而运动。但是对在火车上的旅客，可以认为车站是在与火车运行相反的方向相对火车而运动。”这是运动相对性的错解。用这种似是而非的“互相”运动解释的运动相对性不止本身错误，而且拖累有关理论陷入谬误。现实中火车上的旅客，如何看待车站是在向火车运行相反的方向相对火车而运动，当然是有人肯定有人否定，肯定者可能是车上的物理教师（教师依据课本）和学习成绩好的学生，否定者可能是车上没有文化的人或学习成绩不好的学生。 运动相对性是什么意思，要看相对是什么意思。相对一词有运动是绝对的又是相对的那个相对的意思，绝对的涵义是固定的不变的意思，相对是变化的意思。相对又有物体运动是对（相对）谁运动的的意思，如我们研究某一物体的运动时，须要指出这种运动是相对于哪一个参照物来说的．否则就无法确定该物体的运动情况。运动的相对性中的相对，应该是上述两种相对的含义兼有的意思，即既有运动是变化的又有运动是相对谁的意思。 所以能得出车站在运动的错误论断，可能是人们将运动相对性的相对，理解为两人对面走来的“相对”，或者认为运动相对性包含着“互相 ”运动的意思。甲乙两人，甲站立不动看到乙向自己走来，乙向前走时也觉得甲向自己运动。这种看似二者都在运动并不成立，乙要迈步前进，甲看似运动却不迈步，迈步前进的运动是实动，不迈步的“运动”是虚动。甲乙二人都走，从某两个位置对面走向一处叫做相向运动，也被叫做相对运动，但这个相对（相向）与单人走的相对词语含义不同，真正包含着互相的意思，二人的运动均是实动。 类似上述一人运动和两人运动，动惯性系相对静惯性系的运动和两动惯性系的相对运动，是不同意义的相对运动。为了区别这两种运动，可将地面上一个物体的运动或动惯性系相对静惯性系的运动叫做单体相对运动，简称单体运动；两个物体互相运动或两动惯性系的互相运动叫做二体互相运动，简称二体互动。定义了单体运动和二体互动概念，有助于正确理解相对运动和运动的相对性。一般说相对运动，多指单体运动，即一物体相于其他物体的位置变化，如汽车驶出车站，要看做汽车相对车站运动，不可反过来看做车站相对汽车在运动。 动惯性系相对静惯性系的运动，若将动惯性系视为静止，那么静惯性系好像在“运动”，这个静惯性系的“运动”与动惯性系的运动的本质不同，这两种运动是一种镜像关系。如果说动惯性系的运动是物的运动，那么静参惯性的“运动”就是物的像在运动，物与像即实与虚的关系，也就是前面定义的实动和虚动关系。确定了实动和虚动，就限定了选取参考系只能选取静止的物体作静惯性系，以此来保证描述和表现物体的真实运动。 从参考系或惯性系的应用中表现的矛盾和谬误分析，发现问题出在运动的相对性的解释上。如果说运动的相对性解释是一道选择题，伴随相对一词的不同含义要有多个选项，但只有一个正确的答案。本文解释应该是运动相对性的正确选项。 4、相对性原理 相对性原理，通常叫伽利略相对性原理，最早为伽利略发现而得名。1632年，伽利艇略在他的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书中，虚构了一艘大船和一个维护亚里土多德----托勒密体系的名叫萨尔维阿蒂的人，这艘假想的船因萨尔维蒂而叫做萨尔维阿蒂大船。伽利略通过萨尔维阿蒂大船中人和动物的运动状态，描述出匀速运动的物体内一切事物表现与地面上的事物表现相同，或者说船中发生的任何一种现象，你是无法判断究竟是在运动还是在停泊不动的船中发生的。由此得出的这个论断即著名的伽利略相对性原理。 “即使船运动得相当快，在跳跃时，你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远。虽然你跳到空中时，脚下的船舱板向着你跳的相反方向移动。”[引自《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》]。这种现象的产生，是因为人在船上，与船有相同的速度。你从船尾跳向船头，虽然船以速度v前进，但跳起的人身上也存在这个向前的速度v，所以人不会因跳起到下落脱离船的时间内船移动而落后，下落的距离与地面一样。同理，在匀速运动的船上，人从船头跳向船尾或横向跳的结果与船停泊时起跳的结果一样。 实验的人在静止或运动的船上向任何方向跳出的距离均相同，而且与在岸上以同样的方式跳出的距离相同。但人在岸边运动的船上向岸上跳，斜向船头方向与斜向船尾方向落地点距离，跟在岸上以相同方向跳的距离不同；在船运动的垂直方向跳上岸要比预计落地点超前。这种现象说明，在不同惯性系（静惯性系与动惯性系及不同速度的动惯性系）中的运动规律相同，不可随意推广到不同惯性系之间并保持运动规律相同。 伽利略相对性原理的简单表述是：无论是在静止还是在匀速直线运动的参考系中，所有的力学规律都相同。伽利略相对性原理，虽然是从虚构的大船用简单的思想实验推出的原理，但肯定是经过无数次实际实验得出的结论。相对性原理描述了静惯性系中的实验与动惯性系中的相同实验结果相同，进而推广相同的实验在两个不同速度运动的动惯性系中依然相同，但这个力学规律相同仅能限于各自的惯性系内，不代表从这个惯性系到那个惯性系力学规律相同。另外，相对性原理与运动的相对性是两个不同的概念，相对性原理中的“相对性”与运动相对性的“相对性”含义有一定的差异。 伽利略相对性原理是不同惯性系中的力学规律相同，爱因斯坦利用这个原理并增加了内容，他把不同惯性系的力学规律相同扩展为不同惯性系的物理规律相同，把惯性系中的规律相同扩展到惯性系之间的规律相同。因此，相对性原理要分伽利略相对性原理和爱因斯坦相对性原理，相对论中的相对性原理已经不是伽利略相对性原理。 （三）参考系的来历和应用中的问题 1、从参照物到参考系 在没有参照物概念前，人们通过观察物体与周围环境的情况来判断物体的运动，实际还是隐含着参照物的。当有了参照物概念后，判定物体是静止还是运动便有了理论上的依据。然而，这个理论上的依据也使人死搬教条，好像没设定参照物前不知道物体做怎么，只有任意选定一个参照物才能知道物体是静止还是运动。 地面上两物体，其中一个物体相对地面移动，这个物体就是运动的，而另一个对地面不发生移动的物体即可做运动物体的参照物。为什么不以地面为参照物呢，因为光说地面（没在地面上建立坐标系时）是个不明确的概念，需要指明地面的哪个位置并且能与别位置有明显的区别方可，所以要在地面上找一个有标识性的物体为参照。 参照物是一个自然的或人工制造的物体，不分大小和形状，只要求有明显的简单的标识性意义，它可以是一块石头、一棵树，也可以是一座楼、一架桥。在一些简单的运动问题上，选一个合适的参照物即可。参照物只用于比较和对照一下，不能表现物体运动过程的各种情况。因而需要确定物体运动的具体情况和变化的数据时，参照物就不能满足需要了，要应用参考系了。 参考系可以解决各种复杂的运动问题，因为它由一个仅提供对照比较的标识点扩展到可描述空间位置和运动情况的坐标系。参考系要有别物体在其中运动的空间，它可以提供本身的不同位置的特殊意义，还可以提供小物体在其中的运动情况。因此，参考系也可以是一个简单自然物体，但大多是人造的复杂物体系统。参考系若对地面静止，主要是地面的某个区域，只能有一个。参考系若相对地面运动，主要是人造的 我们对运动只做简单判定的时候用参照物就可以了，如乘船在江湖中，船上的人要以岸上的景物作参照，就能确定船在水中的运动。在大海上乘轮船，人从船尾到船头，从下层到上层，以船为参照物就不可以，若以船上某一物体作参照物也不方便，这就要引入参考系的概念。当我们以轮船为参考系，以船的某一位置当坐标原点建立空间直角坐标系，研究船上人走到某位置即方便简捷并有精确的数据可依。参考系要取坐标原点，坐标原点的位置可任意设定，但要以方便简捷为原则。 人们研究事物的规律，必然地从简单到复杂，从初级到高级。物理问题的学习和研究，从参照物到参考系，就是这样一个过程。参照物是初中应用的概念，高中、大学要用参考系的概念。有的物理书上给定的参考系概念，是先将参照物叫做参考系，然后再在这个参考系上建立坐标系，这样的概念表述有些麻烦。 2、运动物体不可选作参照物或静参考系 我们坐在停下的火车内，只看车内不知道车运动与否，当我们看见车外的景物在向车后运动，就知道火车已经开动了；同理，看见车外的景物向前运动，就知道火车在后退。上述判定无疑是正确的，这是从经验得来结论而不是从理论指导得来的结论。而应用现有理论却说“以车为参照物，车外的物体在运动”，实在让人匪夷所思。 参照物理论上的问题，出在将运动的物体选做参照物了。参照物一定是静止的，不可以将一个运动物体假设静止做另一个运动物体的参照物。若将一个已知运动物体假设不动来判定别物体的运动或静止，会将静止的说成运动，运动的说成静止，这就没有标准了，乱套了。试想当年伽利略在比萨斜塔上做两个铁球落地的实验，若选取其中的一个做另一个的参照物，会出现什么问题？ 东西方向的公路，一辆汽车向东行驶，我们可以用它的出发地或公路旁边的标志物确定它向东行驶，不能反过来以车为参照物说车的出发地或公路两旁的标识物向西运动。两汽车一快一慢向东行驶，两车距离逐渐变大或缩小，好像一车没动一车向东行驶。我们若以慢车为参照物说慢车没动快车向在东行驶，似乎没改变快车的运动的事实，但已经不能准确反映快车的实际速度，因为假设慢车为静止，要用快车的速度减去慢车的速度从而使快车的速度变小。若以快车为参照物，要说出慢车向西倒退的奇谈怪论，更明显不符事实。若两汽车以不同的速度向相反方向行驶，则不管以哪辆车为参照物，均会使运动对象的汽车的速度变大。因此，参照物的选取不应该是任意的而应该是有条件的，这个条件就是要保证物体运动的客观真实。 用运动物体做参照，计算两车间的距离还可以，但要有初始的相对位置或距离的条件，最终还是离不开地面静参考系。选运动物体做参照，只是作为一种计算技巧用来计算两运动物体的距离变化了多少有些简便而已。选取两运动物体一个做参照物，倘若有某种可行性也是舍近而求远，因为既知道两物体运动，就一定有静止物为参照，否则难以判定两物体都运动，那么何必取运动的作参照物使真实的运动速度值放大或缩小而产生虚幻的运动效应呢。实际上，我们在描述物体的运动情况时，无论是否提到参照物，参照物总是存在的，因为我们生活在地球上，地面相对人类和地面上的自然物是静止的，这是基本的无需寻找和选择的参考系。 参照物若任意选取，可能将一个物体的确定运动得出错误的结论。一个人在公路边向东行走，以地面做参考系，说那个人往东走；以向东行驶的汽车为参考系，说行人向西倒退。这本是一个确定的事实被说成截然相反两种行为，谁对谁错不言而喻。 3、参考系与参照物的不同功用 参照物或参考系在应用上的混乱，原因是有关解释或说法有问题，常见的解释是：“选作参考系的物体，假定为不动的”；“只有在选定参考系之后，才能确定物体是否在运动或作怎样的运动”；“参考系可以任意选取”。这些说法中的参考系也指参照物，其实还是将参考系混同于参照物了。 “选作参考系的物体，假定为不动的”，这种说法有问题在于：若选取的物体相对地面静止，能够确实判定所研究的物体的运动状态；若将运动的物体假定不动，则得出静止的物体在运动的错误结论。“只有在选定参考系之后，才能确定物体是否在运动或作怎样的运动”的说法也不确切，选定参考系才能确定物体的运动，只是理论上的需要，实践中并不存在不选定一个参照物就不知道物体是否运动的问题。上面说法指参考系并不合适，用在参照物上尽管说得过去但也差强人意。 “参考系可以任意选取”的思想来源于地面上参照物选取。判定地面上的物体是静止还是运动，可选取地面上任何静止的物体做参照物。如河上的行船，可以用河里停泊的船做参照物，也可以用河岸边的一棵树做参照物，还可以有用岸边的一块石头做参照物。总之，行船附近的任何独立的明显的静止物体都可以做参照物，任意选取参照物的论断应局限和体现在这里。相对地面上运动的物体不可做参照物，因而参照物的选取也不是任意的而是有条件的。 地面静参考系的选取不存在任意不任意问题。地面上任何静止的物体都要包括在这个静参考系内，如前例河上运动的船选取地面为参考系，停泊的船、一棵树、一块石头及附近所有可选做参照物的都包括在这个静参考系内，还要将它们忽略用坐标点描述行船的位置及运动。静参考系的范围随物体的运动范围而变化，而动参考系的大小是不变的。动参考系是指定的研究对象，所以也不存在任意不任意的问题。 如果说参照物的应用是衡量物体运动的初级阶段，那么参考系的应用就是衡量物体运动的高级阶段。参照物用于判定物体的静止和运动，在短时间内完成。参考系是考察物体或动惯性系的运动，包括全过程时间内的位置和速度的变化。参考系包括参照物的功用，但有更多的功用来处理和解决复杂的问题。物体被选做参照物，只是做参照物，不是先做参照物再升级变为参考系。参考系是直接在所研究的物体或相关物体上建立坐标系。参考系的应用已经不是用来判定物体运动或如何运动的初级阶段，而是应用解决参考系之间的运动或有物体在不同参考系之间运动的问题。 4、惯性系和非惯性系的具体物体 现实中并没有参考系这种东西，它是在具体物体上建立坐标系而构成的。在相对地面静止的物体上建立直角坐标系就是参考系，也是静惯性系。地球、地面、暂停的车船等都可做静惯性系，但多数情况是将所研究的物体（动惯性系）活动范围的地面当做静参考系。用做动惯性系的物体有汽车、火车、轮船、飞机等交通工具，人造卫星、载人飞船、飞向其他行星或卫星的飞船等航天器；自然物有太阳系内其他行星、卫星及银河系中恒星行星等。总之，凡是运动的物体都有做动惯性系的可能。 动惯性系的惯性运动大多都是暂时的近似的。无论高速公路上汽车，还是高速火车，它们的匀速直线运动均是暂时的，整个运动过程是无加速度与有加速度的不断变换。当我们把它们当做惯性系时，就要近似看做它在作匀速直线运动。行星绕恒星的椭圆轨道运动，曲线运动的速度也是不均匀的，把行星当做惯性系时要近似看做匀速圆周运动。 一整列火车，在平直轨道上运行时可看做一个惯性系，研究各车厢的运动又可将各车厢看做一个个惯性系。平直高速公路上匀速运动的众多汽车，也可以看做一个个惯性系。这可以是相对论中的K个惯性系在事实上反映和表现。当然，相对论中的K个惯性系假设可能不是这么简单而实际的意思。然而，相对论中惯性系也不能例外地与物体无关，因为不依托物体的参考系是不成立的。 同一辆汽车，无加速度时，牛顿第二定律成立，有加速度时，有时牛顿第二定律也成立，为什么？原因就在于将物体视为质点还是看做参考系，物体视为质点，是物体的大小与研究的问题无关。汽车视为质点，就失去了参考系的意义。汽车视为参考系，也就不能当做质点，而是汽车内的物体当做质点。同理，研究载人飞船的运动周期和距地面距离，即把飞船看作质点。研究载人飞船内人或物体的活动及位置，就要把飞船看做参考系。 平直公路上匀速运动的汽车，当我们需要研究车内物体的位置或人的运动时，汽车不能当作质点要当作惯性系。但汽车加速、减速或转弯时要当做非惯性系，通常说的非惯性系中牛顿第二定律不成立，就是在这种情况下。当我们不管汽车内的情况，只研究汽车的受力或运行的的速度、加速度、时间和距离时，都是将汽车视为质点作力与运动的分析，可应用牛顿第二定律。这就是质点与动惯性系的区别：汽车做质点，牛顿第二定律可直接应用；汽车做动惯性系，牛顿第二定律不能直接应用。 （四）惯性系和其他参考系 1、基本参考系 力学问题中有各种参考系，最多时候要用惯性参考系的。大多物理教科书对惯性参考系大体有如下定义：“能使牛顿第一定律成立的参考系称为惯性参考系，相对于惯性参考系作匀速直线运动的参考系也是惯性参考系。” 惯性系的定义很明确也很好应用，但仔细思考就会发现其中包含着连环参照。牛顿第一定律的表述是：“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。”定律中物体的静止或匀速直线运动状态是如何确定的，如果是相对于某个惯性系而言，那么这个惯性系的确定还要有另外的惯性系，以此类推，形成一条没有尽头的概念链。其实这个问题就像空中悬挂一段链条，你问其中一个环节为什么悬在空中，这个环节说我靠相邻的环节，你只有找到连接链条终端固定某处的钩或环，才能摆脱环环相扣的链接连环。 惯性系是保持静止或匀速直线运动的参考系，这个静止是相对谁而言的？一定有一个更大的能使别物体判定为静止的物体。比如，以一个城市为静惯性系，或者说这个惯性系保持静止，显然是相对地球表面而言的。我们将地球表面当做更大的静惯性系，地表面相对谁静止呢？若说是相对地表面上位置不变的物体而言，如此这般又陷入循环参照，若说不是还真找不到地表面对谁静止。由于地表面的一切物体都小于地表面，都包含于地表面中，地表面与地表面静止的物体有互为静止的参照关系，加上二者的包含与被包含关系结合可构成主次静止的逻辑关系，这就是说地表面物体与地表面共同静止是以地表面为主的。如此说来，把地球表面当做地面上所有惯性系的参照基准是合情合理的。 为此本文提出“基本参考系”概念，说惯性系是静止的或匀速直线运动的，就是对这个“基本惯性系”而言的。地球表面及附近空间的一切惯性系和非惯性系都是以地球为参照的，因此地球是相对地球运动的各种参考系的基本参考系。人类制造的宇宙飞船飞离地球在太阳系中活动或飞船飞出太阳系，飞船惯性系即以太阳或太阳系为参照，太阳或太阳系就是基本参照系。研究太阳系的运动及其他恒星系的运动问题，要以银河系或其中的某部分做参考系，银河系即为基本参考系。综上所述，可将地球称为“第一基本参考系”；太阳系称为“第二基本参考系”；银河系称为“第三基本参考系”。三个基本参考系对应三个包含和被包含的物质空间层次。 基本参考系的意义，就在于给参照系统一个终端的参照基准。原来地面上运动的物体或参考系，以地面上某物体或涵盖运动范围的静参考系为参照，而这个静参考系以谁为参照呢，只要说相对基本参考系即结束继续链接参照。有了基本惯性系概念，地面上区域的局部的静参考系，就有了依托和根据。基本参考系也在运动，但不用考虑是惯性运动还是非惯性运动，因为别的物体被它们包含且随其一道运动。 惯性系定义中存在的连环参照，在应用上并没产生什么错误和不适当，是因为人类应用的任何参考系都包含在基本参考系中，说静止或匀速直线运动不论对谁而言，最终还是相对于基本参考系。根据研究目标的活动范围选取不同层次的基本参考系，就不需要寻找和比较哪种参考系更优越了。 2、惯性参考系 当参考系本身处于静止状态或作匀速直线运动时，参考系便跟惯性联系起来，产生惯性参考系的概念。当参考系作匀加速运动时，就成了非惯性参考系。因此，参考系分惯性参考系、非惯性参考系，分别简称为惯性系、非惯性系。由于惯性参考系可能处于静止状态也可能处于匀速直线状态，惯性参考系又可分静止惯性系和运动惯性系，分别简称静惯性系、动惯性系。非惯性参考系也因运动方式不同可分为直线运动非惯性系和曲线运动非惯性系。 运动一定以相对静止为参照，也就是确定一个惯性系一定以某个相对静止的参考系为基准。这个相对静止的参考系尽管也是运动的，但它要带动所研究的参考系一道运动。在实践中，人们总是根据实际需要选取静惯性系，如研究地面上物体在小范围内的运动时，大于物体运动范围的地面就是静惯性系。具体地说，研究卫星的运动时，地球是静惯性系；研究太阳系中天体或飞船的运动时，太阳是静惯性系。 一般地，静惯性系只取一个，动惯性系可取无数个。比如：以一条平直高速公路做静惯性系，公路上所有匀速运动的汽车都可做动惯性系，当然实际应用时只取一个或几个有关的研究对象为动惯性系和需要的一段公路做静惯性系。两个动惯性系，选一个为参照，用在两者的相对速度上只能是数学游戏，没有实在的物理意义。再比如：速度相同的两车作相对或相向运动，若以一车为参照，另一车的速度就是其真实速度的二倍，这个合成速度只能用来求两车的相对距离的变化，还不是非用它不可。关于运动物体上的力的问题，如利用或求解动能、动量等，一定要用物体的实动。 有了基本参考系概念，惯性系概念的定义消除了连环参照问题，说惯性系概念时不必顾虑如何应付有点苛刻的质询而欲说还羞。选取参考系或惯性系有了明确的根据，就可以无所顾忌的将地面上运动的物体以地面为静参考系，从地球出发在地球附近运动的物体是以地面或地球为静惯性系，而地面上人造的交通工具都可构成动惯性系或非惯性系。当这些交通工具停下或作匀速直线运动时是惯性系，作加速运动时是非惯性系。 惯性系与非惯性系的判定方法有两种：一是用牛顿第一定律和牛顿第二定律在参考系中是否成立，两个定律不附加条件自然成立的参考系是惯性系；二是看参考系本身有无加速度，作匀速直线运动的参考系是惯性系，有加速度（包括向心加速度）的参考系是非惯性系。根据伽利略相对性原理，跟一个惯性系保持相对静止或相对匀速直线运动状态的参考系也是惯性系。 3、非惯性参考系 一般教科书上都这样解释惯性系和非惯性系：牛顿定律成立的惯性系称为惯性参考系；牛顿定律不成立的参考系，称为非惯性参考系。实际还可以这样解释惯性系和非惯性系：相对基本参考系静止或匀速直线运动的参考系为惯性参考系；相对基本参考系作匀加速运动的参考系为非惯性参考系。 牛顿第二定律在惯性系中才成立，是说牛顿第二定律成立的前提是在惯性系中，非惯性系中牛顿第二定律是不成立的。这样说好像牛顿第二定律在非惯性系中不能应用了，实际上非惯性系中也能应用牛顿第二定律，只要把非惯性系本身的加速度和惯性力算上。根据研究对象物体是否受非惯性系约束分两种情况，下面举两个例子说明： 例1：加速运行的火车上绳吊一质量为m 的小球，小球的拉线必然与竖直方向有一向后张开的角度，造成这一张角的力就是加速度a使小球产生的惯性力ma。惯性力ma与小球重力mg的合力方向就在小球拉线的延长线上。计算非惯性系中受约束的物体（绳吊小球）的受力，要引入惯性力，即牛顿第二定律表达式的另一种功用。 例2：在火车中做一小球自由落体实验，先在火车静止或匀速直线运动时做一次，记住小球的落地点的位置；当火车加速运动时，在同一位置再做这个实验，小球的落地时间t与前例相同而落地地点要偏后。这个偏后是由火车作非惯性系有加速度，在小球刚下落时的水平瞬时速度与刚接触地板时火车的瞬时速度之差所造成的距离S。直接用运动学的公式S=tv0+at**2/2就可以计算小球偏后的距离。在非惯性系内不受约束的物体，如小球自由下落试验，可看做小球作自由落体运动，在它到地板的时间内火车走过距离S，因而比竖直落地的位置偏后。 非惯性系在直线运动时为非惯性运动，作匀速圆周运动时为惯性运动。例如：一个水平放置的定轴匀速转动（设摩擦力为零）的大圆盘，圆盘上除中心外任一点都有向心加速度，所以圆盘可作为非惯性系，但是整个圆盘的运动却是惯性运动，因为圆盘上任一物质单元的合力为零。 （五）惯性系本身和惯性系之间的问题 1、静惯性系与动惯性系本身的不等价 地面上静止的物体系统属于惯性系，地面上作匀速直线运动的物体系统也属于惯性系，只从惯性的意义看，二者是等效的，统称为惯性系。但从两种惯性系本身各有不同的意义和功用来看，明确分为静惯性系和动惯性系才有利于具体的研究运动问题。 “所有惯性系是等价的”，是对不同惯性系内的力学实验相互比较没有异样结果而言的，不等于各种惯性系本身相互等价。由于惯性系离不开物体，所以从惯性系本身的意义上说，静惯性系与动惯性系不等价，不同动惯性系不等价。车站及运行路线与汽车是典型的静惯性系和动惯性系的关系，车站和汽车的运行路线包括在地面静惯性系之中，汽车则是动惯性系，二者显然不等价。不同速度的汽车是不同的动惯性系，仍然不等价，若等价还分快车慢车干嘛。 假如船在海面匀速平稳行驶，一个人在船的底舱做力学实验，做实验的人不知道船相对于海面是运动还是静止。然而，站在岸上的人是知道船在运动且能测定船的速度的，岸上做实验的人不会有实验场所是静止还是运动的考虑。这就是岸上地面作为静惯性系，船作为动惯性系，两惯性系的不平权。海岛旁停泊一船，当船相对岛运动时，船员相对船没动，但船员会说船动了，不会说岛动了。船可以使人或物体从一个地方到另一个地方，成为研究运动问题的对象，岛却没有此功用，这就是以船为动参考系与以岛为静参考系的不等价。 可能有人说，说惯性等价明明是说惯性系内的力学问题呀，你偏扯到惯性系本身，不是偷换概念了吗？请不要轻下结论，现实中许多物理问题都是惯性系本身和惯性系之间的问题，而人们往往不自觉地将惯性系内的等价推广到惯性系本身和惯性系之间上去。如“以向东运动的汽车为参照物，车站在向西运动”之说，不就是两惯性系本身的问题吗。实际上，惯性系等价问题并没有明确的界定惯性系中和惯性系间，是不分彼此浑然一体的笼统概念。 关于参考系还有这样的说法：“每一个参考系都包含全部空间，因此一个物体一定同时存在于所有参考系中，不可能出现‘这个参考系中有这个物体而别的参考系中没有它’的情况；时间也如此，不管你的时间测量系统怎样，历史上存在的东西在哪个参照系的历史中都存在。”这种说法有问题。反对的理由简单地说：以中国版图为静参考系，其中发生的某一事件，不可能同时存在美国版图静参考系内；时间问题同理，中国历史上发生的某事件，不可能也写进美国历史。还有，车站（静参考系）上发生的事不等于同时在汽车（动参考系）上发生，一辆汽车内发生的事，不等于另一辆汽车内也发生。 2、惯性系之间的物体运动与惯性系内的物体运动的不等价 惯性系的许多问题是惯性系之间的事，如飞船与空间实验室的对接，返回舱的脱离等。还有许多惯性系的问题，是两惯性系间有第三者运动，例如：坦克之间、战斗机之间、舰艇之间相互发射炮弹，陆基导弹与舰载反导弹的发射试验；一个蜜蜂飞向地面的花丛和运动的汽车内蜂箱的运动轨迹；一定距离同时发出的两道闪光到静惯性系和动惯性系中某一设定位置的时间等等。 火车上的人松手丢下一块石头，他看见石头竖直落下，而地面上的人看见石头的下落轨迹是抛物线；地面上的人也松手丢下一块石头，同样他看见石头竖直下落，而车上的人看见石头也是以抛物线落下。这两支抛物线是对称的，是互为镜像的，车上观察者看见地面上的抛物线是虚像（车上的人看见地面上的人向后运动是虚动），地面上看车上的抛物线（存在真实的水平速度）是实像，这是静惯性系与动惯性系中的观察者互相观察时，看到的运动造成的一种镜像效应。地面上的石头落地与车上的石头落地在各自参考系中规律相同或者说等价平权，而从本参考系看他参考系就不等价平权，就像照镜子的人与镜中的像不能等价平权一样。 两相对运动的相同炮舰互相开炮，若两炮同型并以同一角度同时开炮，再假设开炮后炮舰不再运动，可能有速度快的炮舰的炮弹能打到速度慢的炮舰上，而速度慢的炮舰的炮弹打不到速度快的炮舰上。原因就是炮舰速度要加上发射速度，速度快的炮舰炮弹速度快射程远一些，速度慢的射程近一些。这是两动惯性系之间的问题，它们之间发生的事件对它们自己来说不等价，若等价那不成了炮舰被击中与没击中是一回事。 一辆坦克静止不动时开炮，坦克是一个静惯性系或说坦克包含在地面静惯性系中，炮弹射向不同的方向有相同的结果，这就是惯性系中的力学规律相同。当坦克运动时发射炮弹，与车体运动方向相同的炮弹速度，等于车速加坦克静止时发射速度；与车体运动方向相反的炮弹速度，等于坦克静止时发射速度减去车体运动的速度；在坦克运动方向垂直的方向发射，炮弹的速度等于坦克静止时发射速度与炮弹的速度的合成速度。坦克是一个动惯性系，坦克开炮是从这个动惯性系到地面静惯性系，因炮弹运动的不同方向有不同的结果，这就是惯性系之间的不等价。 从不同惯性系内的力学实验相同的角度说惯性系等价，这个等价不能推广到两惯性系各自的运动效果上去，更不能推广到两惯性系之间去。现实中的物理问题不总是孤立地存在各自的惯性系中，而是在不同的惯性系间穿行跨越，如从静惯性系到动惯性系或从动惯性系到静惯性系，也有从一个动惯性系到另一个动惯性系。从一个惯性系到另一个惯性系的力和运动的实验结果就不是不变的了，只有两惯性系保持相同的运动速度才能不变。 3、光对惯性系的相对速度 光在物理中是一个独立的学科。光有速度、反射、折射、干涉、衍射、偏振等光的规律，其中光的速度与物体的速度本义相同，光的干涉、衍射与机械波的规律相似。惯性系是牛顿力学的基础概念，光有光学理论，二者似乎没有什么关系，当爱因斯坦将惯性系与光结合起来时，便创造出惊世骇俗的对20世纪物理学产生重大影响的相对论理论。 光的运动没有参考系。光不需要有参考系来判断它的运动，与它本身的特性有关，没有方向上限制的光是向四周放射的，并且瞬间充满有限的空间，因而研究光速通常是一束光组成的一条光线。一条光线，很难在眼睛正对时看见一个光点，总是能看见状如射线或直线的光线。看见光线，我们就知道光在运动，所以光的运动不需要参考系来比较或佐证。说光速相对任何参考系都是不变的，并没有明确指出事实上的根据，只是依据爱因斯坦相对性原理，即不同惯性系的物理规律等价平权。 光本身的速度与光相对不同参考系的速度是两码事，光本身的速度是不变的，各种动参考系都在运动并有不同的速度，所以光相对光源或其他参考系的光速是不能相同的。例如：地面上一光源发出的光（不计地球的运动速度），在1秒时间走30万千米，光速不变；一个以每秒10万千米的运动的光源发出的光，1秒时间也走30万千米，同时光源走10万千米，显然光前端与光源距离20万千米，光相对光源的速度为每秒20万千米。若真的求光相对惯性系的速度很容易，只用光速减去已知物体在同方向上的速度，就得到光相对物体的速度。 实验证明光的速度在同介质中不变的，且在真空中速度最大。这个光速是指光本身的速度，并不是与别的运动物体速度比较的速度。地面上静止的光源与高速火车上的光源，发出的光的速度是相同的，因为光速与光源的速度不能迭加。这个光速相同还是指光本身的速度，不是指相对地面上的动光源和静光源的速度。若光相对地面光源和运动光源是同一速度，那么动光源与静光源的速度差哪去了？光速与光相对其他惯性系速度，就像一个运动员与一个小孩子赛跑，可分为运动员的速度和运动员相对小孩的速度一样。因此应该这样理解光速：光速与物体的速度不能迭加，但能比较，有比较就有与光速不等的光相对物体的速度。 相对论说光相对任何惯性系的速度不变，是将光本身的速度不变的性质无端地加入到不同惯性系等价中去，产生出光相对任何惯性系均不变的论断。若光真的与任何惯性系都没有相对速度，要有两个严重问题：一、众所周知，光速与物体的速度不能迭加，当光在不同速度的惯性系中时，相对惯性系的速度仍然是自已的速度，就像匀速运动的船上抛物与静止的船抛物的速度相同一样，则光的运动一定受到惯性系的运动影响，即发生了速度迭加；二、光波的多普勒效应如何解释。若光相对任何惯性系的速度均不变，就不存在多普勒效应，哪有什么光谱的红移呀蓝移呀。 光本身的运动速度不变，也就是绝对的，可称为绝对光速；光相对其他物体或参考系的速度要有变化，也就是相对的，可称为相对光速。由于一般物体的运动速度与光速比差距太大，所以绝对光速与相对光速的差值很小，在一般应用上不计较光速与物体运动的速度差，即光相对物体的速度，因而通常说的光速大小即绝对光速。 二、与参考系有关的相对论的错误 （一）同时的相对性的错误 狭义相对论中的同时性的相对性推论，是用火车灯塔模型做思想试验的。为了方便和简洁地表述，本文做了文字改动，但保证与相对论表述的的意思等效。这个思想试验的描述如下： 假设有一列很长的火车，比火车长的一段铁路路基上有A（左）、B（右）两个灯塔，火车的车头和车尾与两灯塔等距离。两塔的电灯并联且开关在两灯塔之间，火车运行在A灯塔到B灯塔线路上。当闭合开关后（以后时间灯光自动间歇闪光），按开关的人看见两灯同时闪光。按开关同时火车运行，火车上中点不能同时看见两灯闪光。于是相对论认为，把火车当作参考系的观察者根据灯塔B的闪光先于灯塔A的闪光发生。就必然得出这样的结论：“对于路基是同时的若干事件，对于火车并不是同时的，反之亦然（同时性的相对性）。每一个参考物体（坐标系）都有它本身的特殊的时间；除非我们讲出时间的陈述是相对于哪一个参考物体的，否则关于一个事件的时间的陈述就没有意义。”[引自《狭义与广义相对论浅说》]。 我们可以这样假设：两灯塔之间的路基上站立3个人，3人与两灯塔位置按A、G、E、D、B顺序等距离排列，当中间E位置的人闭合开关时，同一闪光被3人看见的情况是：首先是C位置的人看见A灯塔的闪光和D位置的人看见B灯塔的闪光，并且是同时的；然后是E位置的按开关的人看见两灯塔的同时闪光；再后是C位置的人看见B灯塔的闪光和D位置的人看见A灯塔的闪光，也是同时的。地面静参考系的位置不同，使光到达的时间不同，于是便有C位置的人先看见A灯塔的闪光后看见B灯塔的闪光，D位置的人先看见B灯塔的闪光后看见A灯塔的闪光。 两灯塔之间E位置的人看到两灯同时闪光，不等于两灯塔之间整个静惯性系的人都能同时看到闪光，事实上也只有中点位置能看到两灯塔同时闪光，其他位置不能看见同时闪光。这说明了什么？说明在同一个参考系中与运动有关的事件，在不同位置上是不能同时的，因为运动要经过时间。简单一点说，地面上一个灯塔闪光，不同的观察者，看到闪光有先后次序，则各观察者距离灯塔是由近到远的；反过来说，同一个参考系中的距闪光点远近不同的地点，看到灯塔闪光是有时间差的。 运动后的火车中点与地面的中点位置已经不对应。地面中点观察者看见闪光同时，火车中点的观察者必然看见闪光不同时；火车上看见不同时闪光的位置对应地面的点，这点的地面观察者看见的情况与车上观察者看见的情况必然相同。毫无疑问，动惯性系在静惯性系内运动，以火车为动惯性系的某点在运动过程中对应路基静惯性系的点，是由动惯性系的速度与时间决定的。光的运动到达路基不同的点，使不同地点看见闪光有不同的时间，是距离除以速度得出的时间，完全在牛顿力学的运动学范畴内。同时的相对性的理论错误，根本原因还是固守物理规律在不同惯性系均等价平权的论断，认为两惯性系等价平权了，不管什么情况都有相同的现象，若现象不同就是时间有问题。 火车中点的观察者说看见闪光不同时，明显是他忘记了这个中点与地面中点已经不是原来的对应位置，火车中点与两灯塔的距离已经不同，两灯塔同时闪光但光行程不同，两光到达火车中点必然耗费不同的时间，哪里有什么同时的相对性。时间没有密度、形状、形态等物质要素，连物质性都不存在，怎么能忽大忽小地变化呢。以公交车做惯性系看车内的时间，汽车停下时有一个时间，汽车开动后变为另一个时间，再停下又变回原来的时间，这样变来变去它也不嫌麻烦。还有，怎么保证车内的时间不跑出车外去，车外的时间不跑进车内去。由此可见，同时性的相对性的题设和推理都经不起推敲，地面上的时间与火车上的时间没有不一致的道理，不存在每个参考系都有它自己的特殊时间。 再做一假设，平直公路两端两人骑摩托车以相同速度相对运动，两端中点站一人等待，站立的人必同时等到两骑车人到达。若中点的人与两骑车人同时运动，且向一端行走，他一定先遇到与行走方向相对的骑车人，这是毫无疑问的恐怕无人提出异议。行走人遇到骑车人时说：“我应该同时遇到你俩，怎么只遇到你一个。糟啦！时间变了”，骑车人说：“对，是变了，这是同时的相对性”，结果可想而知，人们肯定会说这是两个疯子。这个假设中，骑车人相当于灯塔的光，行走人相当于火车及中点观察者，可叫做摩托行人模型并且与火车灯塔模型等效，但前者容易理解后者不容易理解，可能是火车灯塔模型中的光使人“眩晕”，还可能是动惯性系与质点的复杂性不同造成人的联想差异。 自古以来人们对时间习以为常，当牛顿定义了绝对时间概念后，在物理学上应用时间也没什么变化。但在爱因斯坦推出时间的相对性论断后，人们对时间有了新的看法但更好像不知道什么是时间了。相对论将时间与惯性系联系起来，然而说不同的惯性系有不同的时间，不能不说是把时间物质化了，只有物体才有大小、长短等形状的变化，这个物质化的时间怎么确定它的长短？相对性的时间与正常时间相比，是时刻的起点不同还是时间单位的大小不同？尤其是，静惯性系和动惯性系的力学规律相同，要在时间相同的基础上，若火车静止时做平抛运动实验有一个时间，火车运动后再做这个实验有另一个时间，不同惯性系中力学规律相同从何谈起。力学（运动学）规律在不同的时间内保持相同，还能叫规律吗，这应该是时间的相对性论断和相对性原理的自相矛盾。 （二）洛仑伦兹变换的错误 19世纪中叶，麦克斯韦建立了电磁场理论，预言了以光速C传播的电磁波的存在并在世纪末被赫兹做实验证实。经典力学认为宇宙空间充满一种特殊物质叫做以太，电磁波和光在以太中传播。然而，1887年的迈克尔逊-莫雷实验，测量不到地球相对于以太的运动速度，从而否定了以太的存在，宣告了以太的死亡。为了改变迈--莫实验的结果，挽救以太的生命，洛仑兹在1904年提出了新的观点并用数学方法来解释。他在伽利略变换的基础上，令坐标系动起来再加光行程作数学推导，搞出几个计算公式，经计算得出物体在以太中运动其长度在运动方向上会发生收缩，可以抵消不同方向上的光速差异，以此说明地球相对以太有运动，迈--莫试验也不可能发现它。洛仑兹的数学方法被数学家庞加莱称为洛仑兹变换。 本来，洛仑兹变换是为了救治以太而炮制的解药，但到爱因斯坦手里竟炒成了爆破传统的时间空间大厦的炸药。爱因斯坦根据已有的惯性系理论，设立了相对性原理和光速不变原理，重新推导洛伦兹变换并赋予新的物理意义，再加上同时的相对性推论，修改了经典力学的运动、时间、空间等基本概念，创立了狭义相对论。在狭义相对论中，洛伦兹变换是最基本的关系式。狭义相对论特殊的参考系运动结论，如物体运动快时长度收缩、时间延缓、质量变大等都可以从洛伦兹变换中直接或间接得出。 相对论支持者整理简化的洛仑兹变换推导如下：直角坐标系中发生P事件，为简单起见，假设P事件发生在X轴上。O和O1是两个坐标系，O坐标系相对于P事件静止，O1坐标系向P事件以V运动，P事件发生时，O与O1原点重合。在O坐标系看来P事件发生在T时刻，位置是X，O1坐标系看来P事件发生在T1时刻，位置是X1。 先写出伽利略变换：X=X1+VT1； X1=X-VT。然后对两式分别乘系数K和K1令X式与X1式相等，X=k(X1+VT1)； X1=k1(X-VT) 。根据狭义相对论的相对性原理，K和K1是等价的，上面两个等式的形式就应该相同（除正负号外），所以两式中的比例常数k和k1应该相等，即有k=k1。 所以 X1=k（X-VT）。 以上推导给出的是坐标系，但在物理上运用要当做惯性系。因为人们认为所有惯性系等价，所以不分静惯性系与动惯性系。本文假设引文中的O坐标系是一个静惯性系，O1坐标系是动惯性系。乘系数K和K1是为了使X与X1相等。令K=K1，是用不同惯性系等价的逻辑概念暗换了两个不等的系数的数学概念，K与K1中间的符号应该是“等价于”符号，因而K与K1的“等于”并不能使X与X1相等。就算X与X1两数值相等，它俩相乘与O坐标系与O1坐标系等价也是互不干涉的事，O坐标系与O1坐标系不等价，也管不着X与X1两数字相乘。O坐标系与O1坐标系数学上等价在运动上却不等价，即只有O1坐标系相对O坐标系的运动，并不存在O坐标系相对O1坐标系的真实运动，两个坐标系运动关系是实动与虚动的关系。还有T和T1时间的根据是错误的同时的相对性论断，往下推导的结果就不必讨论了。 对于这个虚拟的参考系变换问题，再煞有介事地讨论，还会发现有严重问题。比如光信号的T和T1与两坐标系的T和T1都是从T1坐标系的运动开始算起，惯性系运动在T和T1时间时，X和X1位置事件发生与光信号的到达也就是瞬时间的事。因为物体的运动速度小于光速，物体与光信号同时出发后慢的即使有提前量但很快被快的超过。同起点同时刻出发，O1坐标原点永远落后于光信号的CT，即便算上O1坐标系中有一个X1提前量，这个X1又能有多大呢，放量说也就1千米（1千米数据的估量根据未来人造飞船的可能大小）罢了，因而O1坐标系内事件的发生要在坐标系运动的1秒内，光信号与事件相遇的时间也在1秒内。若说事件在O1坐标系运动几秒内发生，粗略估算也只要O1坐标系速度每秒几千米、X1有几十万千米或X1几千米、O1坐标系的速度接近光速。上述问题是变换忽视的必要条件。 假设物体坐标系运动的距离与光的运动距离在某一时间相等，但物体的惯性系的运动与光的运动等价也说不通，因为物体运动与光的运动没有必然的联系，没有因果关系。光源是物体，不管静止的光源还是运动的光源，对发出的光的速度都没有影响，或者说光速与光源运动无关。因而光速与物体的运动速度不能迭加，二者互不影响，各行其事，硬把这风马牛不相及的事合并不可避免地得出似是而非的结果。 洛仑兹变换拿两个没有事实根据的仅有数学意义的坐标系再掺合光的运动说事，充其量是或许有数学意义的数学推理，用这个数学推理得出的结论作为一种规律或原理在物理研究中应用，硬性地令真实的物体运动来遵循这个虚拟的规律，其荒谬性可想而知。值得说明的是：创立洛仑兹变换的科学大家洛仑兹，并不肯定和支持狭义相对论。 （三）相对论的悖论并不成立 狭义相对论产生以来，有人从反对或质疑相对论的立场出发，可能也有人从研究和发展相对论的立场出发，推导出许多悖论。尽管有许多人根据相对论理论来解释这些悖论，但迄今为止，还没有哪个悖论作为问题被彻底解决，有些所谓的解决的解释也是云里雾里，让人晕头转向找不到北。相对论的悖论是相对论的衍生物，它与相对论共同以“运动的相对性”为理论基础，从这种意义上说，悖论与相对论并不对立，反倒是共生共存，当然是名利有别的。下面简介几个有代表性的相对论悖论并指出其不成立的理由。 双生子悖论：假设地球上有一对孪生兄弟甲和乙，其中孪生兄弟甲驾驶飞船做星际旅行，当他返回地面时，根据相对论，运动的钟走得慢，肯定比地球上的孪生兄弟乙要年轻些。但是，在乘飞船做星际旅行的甲根据运动的相对性，看到地球上的孪生兄弟乙正在做反向运动，所以他会认为地球上的孪生兄弟乙老得慢些，当他返回地球时会应该发觉孪生兄弟乙要年轻些。 火车隧道雷击悖论：假设有一列正在穿越隧道的火车，已知火车的运动长度等于隧道的静止长度。在地面系看来：当火车正好全部进入隧道的刹那间，两个雷正好同时击中了隧道的进出口。因为火车运动缩短，车头、车尾都在隧道内，所以火车毫发无损。但是在火车这个动惯性系上，站在车尾的人看来，隧道向后倒退而收缩，火车要比隧道长，如果车尾恰好进入隧道，车头必定露在隧道外，必遭雷击。 潜水艇沉浮悖论：假设一艘浸没在海水里的潜水艇，相对于海水静止时能不升不降地正好保持平衡，然后在假设它在与海面平行的方向以接近光速的速度行驶。根据相对论的物体长度在运动方向上收缩的效应，在海面上相对于海水静止的船上的观察者看来，潜水艇本身会收缩，密度会变大，并最终下沉。但潜水艇上的船员们看到的却是飞速向后的海水在收缩，密度在变大，他们会认为：由于海水密度变大后产生浮力变大，潜水艇将上浮。 杠杆平衡悖论：假设地面上有一个很长的水平杠杆，中间支点处有两个静质量相同的滑块A和B，同时以相同的速率v分别向杠杆左右两端运动。根据相对论的运动速度大质量变大的推论， 地面上静止的观测者将会发现，A、B两滑块质量都增大至M，且它们在任一时刻到杠杆中间支点的距离都相等，所以杠杆始终保持平衡。而另一个处于从左向右以v匀速直线运动的惯性系中的观测者看来，B是静止的，而A是运动，所以A的质量大于B的质量，杠杆将不能平衡。 以上所谓悖论中，火车隧道雷击悖论和潜水艇沉浮悖论比较简单，双生子悖论稍复杂些，但都是运动物体或动惯性系与静惯性系之间的问题。杠杆悖论比前三个悖论复杂，是动惯性系与动惯性系之间的问题。这些问题都是运动相对性的错误推论所致，即将静惯性系看做相对动惯性运动的虚动当真，各自运动的两动惯性系互做参照使运动放大或缩小而失真，因而这些悖论的前提是错误的，由此产生的悖论是不成立的。 火车隧道悖论中，只有火车运动，没有隧道运动，隧道没有而且也不能缩短，因而不存在即看见火车不遭雷击又遭雷击的事件。潜水艇平衡悖论和双生子悖论与前例同理，潜水艇在运动，不能说潜水艇不动海水在运动；飞船旅行或探险还要回来，是去回双向运动，但还是不能说飞船不动地球在运动。 杠杆平衡悖论中的从左到右运动的惯性系看B物体是静止的A物体是运动的，只是这个动惯性系内观察者自己的感觉，丝毫不能影响杠杆物体系统的物体运动及可能产生的结果。这个问题实际上不自觉地换了概念。根据相对论，物体的运动非常快时长度缩小、质量变大，假设这是正确的，也是运动物体自己的事与别物体的运动无关，运动的旁观者看到的现象不能反映B物体的实际运动并产生旁观者认为的结果。设想这个杠杆系统的物体在运动，旁边一个惯性系C在与B同速同向运动，距惯性系C视距外另一惯性系D平行同速运动，C惯性系中的观察者因看见自己与物体B相对静止而产生悖论联想，而D惯性系中的观察者因看不到或根本不知道杠杆系统也就不会产生杠杆悖论。这是从相对论的立场上推出的悖论不成立。 相对论拥护者也否定相对论悖论，但是在想方设法地解释并化解悖论。本文否定相对论悖论，是从悖论的前提不成立否定悖论不成立，跟相对论者否定悖论是两码事。相对论悖论的产生，不能不说是提出悖论的质疑者与相对论创立者都是被运动的相对性的错误解释所误导，从这种意义上说，悖论提出者和爱因斯坦都是受害者，但悖论提出者所做工作的积极意义应该肯定。本文认为：只有扬弃运动的相对性的错误解释和不分内外的任何惯性系均等价的错误论断，才能使扭曲客观真实阻碍科学进步的狭义相对论失去立足之地。这也是重新构建惯性系理论的理由。 结束语 相对论从产生时就有人质疑，至今反对者越来越多。作者早先对相对论很感兴趣，但似懂非懂。在长期研究惯性和惯性力问题中必然要涉及惯性系，也就联系到相对论，才发现相对论与惯性系关系重大，进而从惯性系问题中发现相对论的问题。 作者认为：相对论的同时的相对性和洛仑兹变换是完全错误的；两个基本原理（光速不变原理和相对性原理）各对一半，即光本身的速度不变和不同惯性系中力学规律相同正确；狭义相对论的推出的结论全是错误的。 作者以惯性二字开头标题的贴文共5篇，另外4篇标题分别是《惯性新说》、《惯性质量与引力质量之说当终结》、《惯性力是真实的力》、《惯性离心力与向心力的是与非》，已在多家“科技探索”类论坛上发表。欢迎感兴趣的网友搜索查看。 注：未注明引号内的话出自多种材料，不便具体指出。 作者：郭连成 |