力、运动、惯性系

我们知道，运动是物质的基本存在形式，世界上的物质都处在永不停息的运动之中。所有物质都有惯性，当没有受到外界作用时，物质将保持静止或匀速直线运动状态不变；而当物质受到外界其它物质作用时，物质的运动状态就要发生改变。因此，物质的运动可分为两大类，一类是匀速直线运动，另一类是变速运动。

物理学中，物质之间的相互作用通常用“力”来表示，既然物体只有受到外界物质作用时，其运动状态才发生改变，这也就是说，“力是使物体运动状态发生改变的原因”。当物体没有受到外界物质的作用或外界物质对其作用力合力为零，则该物体保持匀速直线运动或静止状态不变；而当物体受到外界物质作用合力不为零时，该物体将作变速运动。因此，一个物体是否受到了外界物质的作用以及受到的合外力是否为零，是判断一个物体作匀速运动还是作变速运动的基本标准。

反过来，如果物体保持静止或匀速直线运动不变，我们可以得结论说，该物体没有受到外界物质的作用或者外界物质对它的作用力合力为零；相反，如果物体作变速运动，我们可以得结论说，该物体受到了外界物质的作用。

由此可见，运动与力密切相关，我们既可以从物体的受力情况确定物体的运动状态，也可以从物体的运动状况推断物体的受力情况。

力的存在是客观的，力的存在具有绝对意义，这是任何人都清楚，也能体会到的。既然物体运动状态的改变是由力引起的，自然，由力引起的变化也相应地具有绝对意义。换句话说，物体是否在作匀速运动还是在作变速运动是有绝对意义的。我们常说“运动具有绝对意义”，应该是指这种含义。我们要将“运动具有绝对意义”这句话理解为物体是在作匀速运动还是在作变速运动具有绝对意义，而不应该理解为物体是静止还是运动具有绝对意义。

关于运动是否具有绝对意义以及怎样理解它，存在着两种完全相反的错误观点。一种观点认为静止和运动具有绝对意义，人们可以将绝对静止和绝对运动区分开来。但事实上，我们无法区分物体是真正静止还是在作匀速直线运动（对此问题，下面还将作专门讨论），这种认识夸大了运动具有的绝对意义。

另一种观点则完全相反，它否认运动具有绝对意义，否认匀速运动和变速运动之间的区别，认为一切观察者都有权认为自己是静止的，相对论就持这种观点。事实上，否定运动具有绝对性的论据和理由是站不住脚的，前几章的分析已经让读者看到了这一点。否认运动具有绝对性给物理学带来了许多困难和矛盾。下面的分析将使读者更加清楚地认识到这一点。

经验告诉我们，变速运动往往具有一些区别于匀速运动的物理效应。由于这些物理效应的存在，人们早就认识到了运动所具有的绝对意义。

例如，当汽车紧急刹车时，车上的人会不由自主地往前冲，感觉似乎有一股力在把他往前推。反过来，只要感受到这种现象，车上的人知道一定是汽车在紧急刹车。因为这种情况决不会在汽车作匀速直线运动时发生。又如，当圆盘转动时，用弹簧与圆盘相连的物体，会由于离心力的作用使弹簧产生形变。反过来，在排除其它受力的情况下，只要发现弹簧产生形变，就知道圆盘在转动。因为这种情况决不会在圆盘静止时发生。

其实，这类例子很多，相信大家都有过这样的经历和感受，用不着我们在这儿举更多的例子。有太多的事实表明，物体作变速运动具有与作匀速直线运动明显不同的物理效应。这说明，物体在作变速运动还是在作匀速运动是有区别的，而且是可以区分的。历史上，关于运动是否具有绝对意义，曾展开过残酷论战。“日心说”与“地心说”之争，本质上就是关于运动是否具有绝对意义以及如何看待运动具有的绝对意义的争论。“日心说”最终战胜了“地心说”，这本身就说明，通过争论，人们最终认识到了运动所具有的绝对意义，明白了“太阳围绕地球转”仅仅是一种表象，其真正本质是“地球围绕太阳转”。

物体作变速运动时除了有惯性力这种力学效应外，还会观察到与匀速运动不一致的物理现象。例如，当汽车紧急刹车时，原先静止在桌面上的小球会突然飞出。小球并没有受到（除重力和支撑力以外）外力的作用，运动状态却突然改变，这显然与惯性定律不符。同样，当从转动的圆盘上松开小球时，盘内的观察者会看到小球沿弧线飞出。小球没有受到外力的作用，却不能保持匀速直线运动，这也与惯性定律不符。

由此可见，观察者作变速运动时与作匀速运动时对物理规律的认识是不同的，这同样表明物体作变速运动与作匀速运动，是有本质区别的。我们不能把匀速直线运动说成是变速运动，也不能把变速运动说成是匀速直线运动，更不能把作变速运动的物体说成是静止的。人们既可以根据运动物体是否感受到惯性力或离心力（本质上也是惯性力）等物理效应来确定物体是在作匀速运动还是在作变速运动，也可以根据惯性定律是否失效来确定物体的运动状态。当感受到惯性力或观察到惯性定律失效时，就可以断定观察者自身在作变速运动。

无论是测定惯性力还是观察惯性定律是否失效，都属于力学实验的范畴。由于绝大部分变速运动都具有与匀速运动不同的力学效应，因此，大部分变速运动都可以应用力学实验的方法加以确定。

但是，还有一种变速运动，是力学实验的方法确定不了的。单纯由引力引起的变速运动既测量不到惯性力的存在（引力是一种比较特殊的力，它最大的特点是均匀地作用于物体的每一质量点上，不会引起物体内部应力的变化。这使得由引力引起的变速运动，从内部感受不到惯性力的存在），局部范围内也观察不到惯性定律的失效。因此，力学实验的方法还不能成为判别物体是否在作匀速运动的基本标准。

例如，在爱因斯坦所举的在引力场中作自由落体运动的升降机的例子中，升降机明明在作匀加速运动，但不管升降机内的人在其中做什么样的力学实验，既不会发觉惯性定律的失效，也不会感觉到惯性力的存在。因此，升降机内的人不可能通过力学实验的方法知道升降机在作加速运动。若坚持以力学实验的结果为标准，必然会把作加速运动的升降机误认作在作匀速运动。

相对论者恰恰就是抓住了这种例子不放，他们以力学实验不能确定其运动状态为由，来否定运动所具有的绝对意义。但是我们明明知道升降机在作变速运动，为什么非要说“升降机内的观察者有权认为自己是静止的”呢？难道升降机内的人真的没有办法确定自己的运动状态了吗？其实，办法是有的，这就需要用到惯性参考系（简称惯性系）。

所谓惯性系就是保持静止或匀速直线运动的参考系。如果我们已经知道某物体处在静止或匀速直线运动状态之中，则该物体可作为惯性参考系。一旦有了惯性参考系，其它物体就可以以惯性系为标准确定自身的运动状态。如果相对于惯性系的速度保持不变，则该物体一定在作匀速直线运动（含静止状态）；相反，如果相对于惯性系的速度在不断变化，则该物体一定在作变速运动。在升降机的例子中，升降机内的人只要睁开眼睛向外看看，他们就会发现他们与地球之间的速度在不断变大。而地球可被看作为惯性系，升降机内的人不可能把他们与地球之间的速度变化归结为地球运动速度的变化，只能认为是升降机自身在作加速运动。由此可见，以惯性参考系标准，升降机内的人完全能够知道升降机在作加速运动。

事实上，宇宙中可被看作是惯性系的物体很多。上述例子中，升降机内的人并不一定要选择地球为参考物，选择太阳或其它恒星，他们同样能得出升降机在作变速运动的结论。

以惯性系为标准来确定物体运动状态的办法具有普遍适用性。任何物体，只要以选定的惯性系为标准，都能确定自身的运动状态。因此，惯性系可成为人们判定物体是在作匀速运动还是在作变速运动的一个基本标准。

谈到这里，或许有人会问：既然了解物体的运动状态要以惯性系为标准，而确定惯性系又必须了解物体的运动状态，这是否产生了循环逻辑？

问题在于，人们可以借助惯性系确定物体的运动状态，但这并不是说，要了解物体的运动状态必须得以惯性系为标准。事实上，力是物体运动状态发生改变的原因，判定物体是否受到外界作用以及受到的合外力是否为零，仍然是确定物体运动状态的根本标准。我们完全可以通过分析物体的受力情况确定惯性系，上面所说的循环逻辑根本不会出现。

最初的惯性系可以这样来确定。设想有一个巨大的天体处在茫茫宇宙之中，周围没有其它物质和星体。由于没有外界物质对它产生作用和影响，这样的天体必定处在匀速运动状态之中，因此，完全有理由把它看作是惯性系。理论上，我们可以用这种思路来寻找惯性系。

严格说来，这种想法还只是一种假想思路，因为宇宙间的物质都处在相互作用和影响之中，决不存在一点也不受其它物质作用和影响的物质或天体，也没有任何物质能绝对地保持匀速运动状态不变。因此，绝对的、理想的惯性系是不存在的。但理论是为实践服务的，如果物体本身的运动状态变化率极小，对要研究的问题带来的影响和偏差非常之小，完全在允许的误差范围之内，则这样的物体可以看作是惯性系。茫茫宇宙，各个星体之间大都相距十分遥远，相互之间的作用和影响十分微弱，许多星体的运动速度的变化率都非常小，因此，这样的天体都可以看作是惯性系。

与我们关系最密切，也值得我们充分信赖的惯性系要数太阳系。在太阳周围，没有其它大质量的恒星，远处星体对太阳的作用和影响极其微弱；而太阳系里的行星虽然离太阳近，但它们的质量太小，对太阳的作用和影响也微乎其微，因此，太阳可以看作是一个很好的惯性系。事实上，人们研究天文学问题大都以太阳为参考系，而达到的精度之高，是有目共睹的，这本身就说明把太阳当作惯性系是十分正确的。

日常生活中，我们也可以把地球当作惯性系。尽管地球受太阳引力的作用速度（方向）在不断变化，同时地球由于自转，速度（方向）也在不断发生变化，但这两种变化的变化率都非常小，比起我们日常生活中碰到的加速运动来讲，其速度变化（即加速度）要小得多，故以地球为惯性系，基本能满足我们日常生活对有关物体运动状态的判断。

由此可见，某一物体是否可以被看作惯性系，与我们要研究的问题密切相关，而精度问题是其中最重要的一个因素。如果要研究的问题本身精度要求非常高，就必须选择运动状态变化很小的物体为参考系；如果要研究的问题对精度要求不高，则运动速度的变化率不是很大的物体都可以当作惯性系来看待。一般来说，被选作为参考系的物体，只要其运动速度的变化率比要研究的物质的运动速度变化率低上一、两个数量级，该参考系就可以被看作是惯性系。

对物理学来说，惯性系是一个非常基本也非常有用的概念。人们往往要借助惯性系的概念才能更好地解决物理学问题。但另一方面，却常常有人企图否定惯性系的概念。他们认为，既然绝对的、理想的惯性系是不存在的，而经典物理学又离不开惯性系的概念，这本身就表明经典物理学存在着重大缺陷。这种观点表面看起来似乎颇有道理，其实非常错误。理论是为实践服务的，它离不开抽象概念。既然概念是一种抽象，就不能把它和现实世界绝对等同起来，否则任何概念都失去了存在的意义。例如，正方形、长方形、圆等都是一种抽象概念，但现实世界中，你绝对找不到绝对的、理想的正方形、长方形或圆。可是，这些概念在现实生活中却大有用处，我们决不会因为绝对的、理想的正方形、长方形或圆不存在就放弃这些概念，更不会以这样的理由来否定几何学的存在意义。同样道理，我们也不能因为绝对的、理想的惯性系不存在，就否定惯性系的概念，更不能以此来否定经典物理学。

上面的分析，使我们更进一步认清了力、运动、惯性系这三者之间的内在联系性。归纳起来可以这样说：力是使物体运动状态发生改变的原因，物体运动状态的改变是外力作用的结果。知道了物体的受力情况，就能确定物体的运动状态，而知道了物体的运动状态，也能反推出物体的受力情况；惯性系的确定，依赖于对物体运动状态的了解，而一旦惯性系确立了，也可以以它为标准确定其它物体的运动状态。

尽管力、运动、惯性系三者之间关系密切，但经典力学似乎一直没有将它们之间的关系阐述透，尤其是怎样确定惯性系，经典力学没有向人们阐述清楚，致使许多人对惯性系的真实性产生了怀疑，对惯性系这一概念产生了动摇，甚至提出了种种非难。相对论也正是利用了人们这些模糊认识，才提出了种种似是而非的观点。

A,B两人坐在一列火车上，火车以速度V向东行驶。

现A加速向火车的西端跑去。在B看来，A作的是加速运动；

而在地面上的人看来，A作的却是减速运动；

两人得出的A的加速度的值是不同的。

1、关于判定惯性系的内容。你认为惯性系就是作匀速运动的参考系，也就是不受到外力作用的参考系，这就是牛顿理论的说法。我要问的是：这个“匀速运动”，究竟是相对于什么而言的呢？牛顿直接说：相对于绝对静止空间而言的。可是你却否认绝对静止空间，那么，请你回答这个问题。

2、关于同背景系的内容。这个现象我高中时候也想过，而且有一个很有趣的结论：在同背景的作用下，无论同背景的作用力有多大，被作用物体将无法感受到这个作用力，也就是说，被作用物体相对于同背景系的惯性是0。惯性是0这个结论，将引发许多有趣的效应，比如对我逐步增大施加一个同背景的力场，我将相对于地面作加速运动。而随意改变这个力场的方向、大小，甚至是瞬间改变，甚至是我被作用到拥有1000G的加速度，我也不会感到任何难受，我也无法察觉到受到了力的作用，只能够通过跟地面位置的比较，作出我正在被不可思议地加速起来的结论来，如果有这样的力场，那么星际旅行将不再是可怕的旅程了，瞬间加速、锐角转弯、瞬间骤停等现象都可以实现。呵呵，跑题了。对于观察者来说，他无法确认自己处于什么状态。就算他可以跟周围物体进行位置比较，可是他也无法确认周围物体到底处于什么状态，因为确认状态需要参照物，而参照物本身的状态确认，也需要其他参照物。我们可以说我们这个宇宙处于疯狂的无规则加速运动中，这是因为我们找不到宇宙之外的参照物，没有参照物就无所谓运动状态。再设想一下整个宇宙只有你这么一个人这么一个物体存在，其他的都没有，你将如何确认你的运动状态？你或许可以说没有其他物质你就不受到任何力的作用，这是没错。可是你也无法根据m=f/a来确认你自己的质量是多少，我可以说你那时候的质量是0，因为你无法证明自己的质量不是0。同背景系目前只有大范围引力具有这个特征，不过也是近似的。

黄德民，我认为你的绝对空间观念还是很顽固，虽然你可能并不发觉你居然还存在绝对静止的概念。那些个“全宇宙所处的空间”、“宇宙中唯一的物理图像”、“空无一物的虚空”等等各种各样绝对空间的化身，还在你脑中深刻地固定着。在牛顿眼里，绝对空间是一个绝对静止的参照物，一切物体的状态都可以在这个参照物所构造的参考系中确定下唯一而真实的坐标。我认为牛顿的说法比你的说法更合理些。

刘先生你好！

“同背景系”的关键在于这种外力能使观察者和被观察对象始终具有相同的“背景加速度”，只有这样的外力才可以从考察中略去。引力具有一种特殊的“本领”，它能直接地、均匀地作用于第一质量点上，不会引起物体内部应力的变化，并导致每个物体具有相同的加速度（指局部范围内）。在引力场中加速物体感觉不到惯性力的存在，同时也使引力场中的物体系统满足同背景系的条件成为“背景系”。当然，如果你设想某一物质系统完全由“纯“电荷组成，这样的物体系统在电场中也是同背景系，只可惜这样的物体现实世界中可能不存在。

我认为“同背景系”的关键在于“同背景加速度”，在不在于”同一受力系统“。

黄德民2003。2。9

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刚刚看到黄先生的贴子，还没来得及仔细学习，但对我是一定有指导意义的，我很少看书，对这些问题都使凭自觉来思考的，黄先生的“同背景系”与我说的“同一受力系统”就是一个意思，至于选什么名称来统一，我都不会有意见，本来我提出的观点就是供大家参考的，我不会为此去写文章，因为我不是靠物理吃饭的。

不过我到发现黄先生对自己的“同背景系”的定义与应用没有统一起来，您看是否有这方面的问题，由于我还没有仔细研究，可能说的不一定准确。在汽车和升降机的这两个例子中，汽车刹车时，车载物体与汽车不是处在相同的受力系统中，也就是说，已经打破了您的同背景系概念（这里不适宜用“同背景系”的概念，同背景系的概念主要用于引力场中运动的物质系统中，如我书中说的”电梯“、”卫星“、”地球“等）以车载物体与车的运动状态会有所不同，所以“小球并没有受到（除重力和支撑力以外）外力的作用，运动状态却突然改变，这显然与惯性定律不符。”这个结论是错误的。升降机机中的人能感觉到升降机的运动是因为升降机中的人与升降机处在不同的受力系统中，相对论抓住这种例子不放是人们误认为，升降机是一个封闭的系统，其实我前面曾提到过，只有用引力作动力的升降机才有可能使升降机与其中的人成为同一受力系统（”同一受力系统“的含义不明确。我认为关键不在于”同一受力系统“，而在于”同背景加速度“。）。

我的例子是这样来描述同一受力系统的：

例一：

汽车里的人和车内桌面上的球处在同一受力系统（关键在于何为”同一受力系统“）

只有在匀速运动的情况下汽车与车载物体才处在同一受力系统（既为匀速，就是惯性系，这里无需引入”同背景系“的概念！）。

例二：

从楼顶有三个人同时向下跳，A身上绑了大铁砣，C身上挂了降落伞，而B脱光了衣服。

A与B处在同一受力系统，C与A、B处在不同的受力系统。（同上，你要明确何为”同一受力系统“）

“在牛顿眼里，绝对空间是一个绝对静止的参照物，一切物体的状态都可以在这个参照物所构造的参考系中确定下唯一而真实的坐标。我认为牛顿的说法比你的说法更合理些。”

看来您是牛顿的坚定拥护者？