同背景系

设想有一种力能够同时作用于物体系统内所有的物体上，而且力的大小与被作用物体的质量成正比。这样，系统内所有物体将具有完全相同的加速度。引力就具有这样的特性，它能均匀地作用于每一物体的每一个质量点上，力的大小与物体的质量成正比。引力场中的物体，若没有受到其它外力作用，在局部范围内，所有物体都具有完全相同的加速度，物体之间都处于相对静止或匀速直线运动之中，就象都没有受到任何外力作用一样。爱因斯坦曾列举的在引力场中作自由降落的升降机就是这样一个系统。当时，爱因斯坦曾大加论证，系统内的观察者会认为惯性定律仍然成立。有关这一点，爱因斯坦没有错。在这样的系统内，不仅惯性定律，包括牛顿第二定律在内的其它物理定律也同样有效。但是，整个系统明明处在加速运动之中，为什么物理定律在其中仍然有效呢？原因在于观察者和被观察对象具有相同的加速度，或者说它们有共同的“背景加速度”。

我们知道，如果观察者和被观察对象都没有受到外力的作用，它们的速度都不会变化，两者之间的相对速度恒定不变，惯性定律成立；如果两者同时处于引力场中，受引力的作用，两者将具有相同的加速度。从系统外（惯性系）观察，两者的速度在不断变化，但由于它们具有相同的加速度，其速度差值则始终保持不变。因此，在系统内的观察者看来，物体（被观察对象）仍然处于静止或匀速直线运动状态之中，引力对物体速度的影响（加速度）因观察者自身具有同样的加速度被“滤掉”了，物体就象没有受到任何力的作用一样。此时，惯性定律仍然成立。再往下设想，如果在这样的系统中，被观察对象突然受到其它力的作用，则该物体必定要作加速运动。但由于引力引起的加速度已被观察者具有的加速度抵消掉了，故观察者眼中物体的加速度完全是由“其它力”引起的，且满足F=Ma的关系。在这样的系统中，牛顿第二定律仍然成立。

总之，只要观察者和被观察对象具有相同的“背景加速度”，在撇开“背景力”的情况下，在系统内直接应用物理定律，也能得到正确结果，就象在惯性系中使用物理定律一样。如果给这样的参考系命名，可叫“同背景参考系”，简称“同背景系”。因此，物理定律的适用范围不仅仅是惯性系，还有“同背景系”。

其实，“同背景系”的应用范围十分广泛。在引力场中自由降落的物体系统以及依靠引力围绕星体转动的物体系统如人造卫星等都可以看作是“同背景系”，而地球本身也就是一个在太阳引力场中运动的“同背景系”。地球周围所有物体都有相同的环绕太阳运动的加速度。因此，地球上的人们在地面上可直接应用物理定律，一点也不用担心地球的公转加速度会对实际结果带来什么影响（但地球自转的影响要分两种情况。如果观察者和物体同处在地面，地球自转给两者带来的加速度相同，此时仍可直接应用物理定律。但如果两者有一个离开地面，就必须考虑地球自转带来的影响，除非要研究的问题精度要求不高）。不仅如此，在某些场合下应用“同背景系”还可使计算过程得到简化，其实用性甚至比惯性系还要强。因为在实际中，观察者往往并不处在惯性系中，而是处在非惯性系（包括“同背景系”）中，人们关心的是物体相对于观察者自身的运动规律，而不是相对于某个给定惯性系的规律。在某些情况下，物体运动相对于观察者可能具有简单的形式，而相对另外的惯性系，反倒更复杂。例如在自由降落的升降机中，机内观察者观察机内物体的运动，形式很简单，若从地球参考系思考或计算反倒更复杂。此时，应用“同背景系”的概念进行计算，就简单得多。

对“同背景系”，中国学者程稳平先生曾作过深入分析、研究，并在《在实践中探索》一书中提出过很好见解。笔者和程先生的观点有许多相通之处。不同的是，程先生把这种参考系与人们常说的惯性系一并称为惯性系，其理由是惯性定律在其中成立。但笔者觉得，这种参考系不宜再称为惯性系。一方面，它与惯性系的本来含义不符。所谓惯性系应是保持惯性运动的参考系。而“同背景系”不是；另一方面，两者的适用范围不同。真正的惯性系适用范围足够广。而引力场中的“同背景系”只在小范围内适用，范围一大，系统内各处的引力场强不再相同，“同背景系”就不再成立。例如，在升降机这种小范围内，“同背景系”可以当作惯性系使用，但如果把“同背景系”当作惯性系应用到升降机外的物理对象，则必然会得出错误结论。另外，如果把“同背景系”归入惯性系的范畴，势必会破坏相对性原理。关于这一点，我们在第二章已有论述，这里不再赘述。

对物理学来说，惯性系的概念是必不可少的。“同背景系”则不同，它只是一种实用参考系。虽然在某些情况下与实际情况更接近，应用起来更方便，但它并不是物理学所必需的物理概念。没有“同背景系”的概念，人们借助惯性系同样能解决物理学问题。

    在引力与惯性力处于完全平衡的状态下，光纤砣螺仪将始终保持它原有的空间“姿式”，在地面始终有重力指向地心，如果砣螺仪的光纤部份是被悬挂的，那么它的转动就是产生于它的惯性改变与系统加速度的不同步。这时，惯性的改变刚好消除引力的指向，无论你是规定在一端始终指向太阳还是指向其他物体都无济于事。

    不过这并不意味着“某些加速度”就不可测了，从而证明“相对性原理”的正确性，因为我还有一招，那就是微波背景辐射的测定。这并不能因为背景辐射的各向异性测定的精度有限就否定这种原则上的可测性，假如我的技术水平已经达到了这么高的测量精度﹕在彗星上建立自己的立体座标体系，今天在这个方向上测得的微波背景速度是这个值，明天所测得的是另一个值，不就直接测得到了这一天时间差上的速度改变量了？

    即使我这一招还不起作用，也同样不能否定其可测性，因为人类的智慧是无限的，随着技术的发展人们终将会获得更加行之有效的方式测定这种“某些加速度”的。

    三轴光纤陀螺其实也只能测有外力作用条件下的立体加速度(对时间积分可得空间飞行线路)，而且我曾经也考虑过对卫星是否适应的问题，只是你在上面提出“我以为测绕太阳旋转的角速度，必须将陀螺仪规定在一端始终指向太阳的物体上”问题后我才认真思考这一点，最后还是觉得你的“以为”是对的。

    这里的关键问题是﹕在地面实验室中，光纤砣螺仪是否相当于是一个悬空的单摆(我还不完全清楚)？摆的重心必须始终指向地心？如此以来，它实质也就只不过是一个高精度的重力砣螺仪罢了，按这名字也应该如此。

    要获得完全封闭系统且处于力学理想平衡状态下考察它所处大背景下的运动状态，目前条件下可能还只有通过精确测定其所处的微波背景各向异性状态才能确定，光纤砣螺在理想状态下的转动速度始终都是不会改变的，我们也就无法获得它自身究竟是处于直线加速还是曲线运动的任何信息。