浅谈惯性参照系的选择

(2001.9.15)

惯性参照系是指在空间中静止或做匀速直线运动的物质系统。因为不论牛顿力学还是狭义相对论都只能在惯性参照系中才成立，所以对它的正确选择在物理学中就成为一个十分重要的问题。

按照牛顿第一定律，在空间中一个不受任何外力作用的物体就可以作为惯性参照系。但实际上，因为在宇宙空间中，所有物体都在相互作用着，所有物体都在各自做着不同的变速运动。所以在现实的物质世界中，严格的惯性系是找不到的。

但我们可以找到近似理想的惯性系。一、天文观测表明：在宇宙空间中，所有的实物质都是呈系统化、等级式机构的；且物质系统的级别越高，其整体运动的加速度就越小，因此就越适合作惯性系。如以太阳作惯性系就比地球优越，而如以银河系作惯性系则比太阳更理想。二、因为所有的实物体都有惯性质量，所以所有物体的运动速度都不可能是突变的，都只能是连续的渐变过程。就是说所有的实物体都有一定程度的惯性运动，只要时间足够短就可将之近似为惯性系。但在使用这种惯性系时，须给被研究的物体附加一个惯性力；或按照广义相对论中的等效原理，将之等效为引力场力。只有当物体只在万有引力作用下运动时，惯性力和引力场力才可相互抵消，才能不用附加任何力。三、还有在使用惯性系时，被研究物体不得影响或严重影响惯性系的运动状态，否则它就不再成为惯性系。所以这就要求：①被研究物体对惯性系不能有力的作用；②被研究物体的质量远远小于惯性系的质量；③被研究物体的转动惯量远远小于惯性系的转动惯量④被研究物体的的位置及运动范围不得离开惯性系太远。两相互作用的质量不相上下的物体就不宜将其中任何一个作为惯性系。此时应选级别比它们高的物质系统作为惯性系。

当然惯性系的精度也不是越高越好。因为惯性系的级别越高，离我们越远，用起来越不方便。如研究地球上一般物体的运动，以地面为惯性系即可。但若以地心或以太阳为惯性系，那就太麻烦了；而在天文观测中，则必须确定天文惯性参照系。总之，在实用中如何选取惯性系，必须根据研究问题的需要来定。