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五、绝对静参照系与一般惯性参照系 因为绝对真空不是由物质组成的体系，所以其中的物体相对于它是无所谓运动不运动的。一切机械运动都是一部分物质相对另一部分物质的运动。参照系是指我们为研究某些物体的运动情况所特别规定的另外的物质系统，用以作为测量分析的参考基准。最大的参照系无疑是真空场或“总星系”的质心。但是由于真空场的“空虚”特性和“总星系质心”的无法确定，所以它们在使用上都极不方便。这就要求我们必须在有限的实物质系统上再想办法。 惯性系是指在真空场中静止或做匀速直线平动的参照系。其中在真空场中保持静止的参照系叫做绝对静参照系；而在真空场中做匀速直线平动的参照系则叫做动惯性系。惯性系在物理学上是最基本的参照系，因为有很多物理现象在不同的惯性系都保持了它的不变性，所以惯性系在物理学上有着特别广泛的应用。 按照牛顿第一定律，在真空场中，当物体不受任何外力作用时，那么它即处于静止或做匀速直线运动的状态。此时即有可能成为惯性系。惯性系的内部特征是：里面的任何物体当处于自由状态时，可在任一位置长期相对静止（随遇平衡）或在任一方向上长期做匀速直线平动。可是在现实的真空中，所有的实物体都在运动着，所有的实物体都在力的作用下不断改变着自己的运动状态，所以真正的绝对静参照系和动惯性系我们是找不到的。我们只能找到局部的、暂时的、近似的动惯性系（局域惯性系）。 按照牛顿第二定律，在力的作用下，由于惯性的存在，使任何质点的速度变化都成了一个连续的渐变过程，其运动轨迹都是一条连续的圆滑曲线。所以在任一质点附近，只要所取的空间范围足够小、时间足够短，那么就可依此建立一个近似的惯性系。所研究物体的自身体积以及它的运动范围、持续时间只要求比该惯性系的时空范围更小即可。物质系统的级别越高，质量就越大，其质心的速度变化就越小，作为惯性系可研究的时空范围也就越大；反之可研究的时空范围则越小。 在上述讨论中，我们并没有考虑被研究物体和参考系的相互作用或将参考系的质量当成了无穷大，这是不符合实际的。物理学的研究表明：两物体当只在内力作用下做相对运动时，其共同质心的绝对运动状态是不会改变的，故可依此建立惯性参照系。两物体相对该惯性系的运动量及加速度均与它们的质量成反比。因此它们的质量悬殊越大，质量大的物体与共同质心就越接近，该物体就越适合做惯性系。所以作为惯性系对它的质量要求是：必须远远大于被研究物体的质量。被研究物体的级别越高、质量越大，那么作为惯性系的物质系统的级别就必须更高、质量更大。如要研究电子的运动情况我们可在原子核心上建立惯性系；但要研究太阳的运动情况就必须在银河系中心上建立惯性系；而要研究各恒星系的运动情况则必须在星系团的中心建立惯性系等等。 在空间中，由于任何物体都要受到引力场的作用，任何物体在做变速运动时都有惯性场产生，且可以和引力场相互抵消，故在空间中做变速运动的物体，在它的任何位置上都可以建立局域惯性系，这就是所谓的“广义惯性系”。在任一点附近极小的空间、时段范围内，引力场和惯性场的矢量和可以看作是平行的均匀场，故当在此处建立惯性系时，必须附加一个均匀场。这样的惯性系实际上只是一个二维的惯性系。只有当引力场和惯性场恰好等值反向、附加场为0时才能成为三维的惯性系。如在太空中，只在引力作用下做变速运动的物体质心上即可以建立一个三维的局域惯性系。象日心或地心附近即是这种情况。 总之，在宇宙中因为物质系统是分级的，所以惯性参照系也是分级的，以适用于对不同级别物质系统的运动情况进行测量分析。用高级惯性系可以正确描述低级物质系统的运动情况，但用低级惯性系则不能正确描述高级物质系统的运动情况。如历史上的“地心说”对天体运动的描述即是错误的。 至于“各惯性系的等价性”我们应当慎用。因为在描述物理现象时有些惯性系相互等价并不意味着所有的惯性系都是等价的，切不可随意推广。如低速惯性系和绝对静参照系近似等价，但并不能由此说明低速惯性系和和高速惯性系、高速惯性系和高速惯性系之间也是等价的。 |