| 我们知道，物质是运动的，物体的运动、变化是有规律的，物理学的使命就在于揭示物质运动的变化规律，并对它们进行定性或定量描述，这样的规律就是物理定律。 规律是事物现象间内在的、本质的、必然的联系，具有客观性。但观察者眼中的物理现象却是千差万别的，同一物理事件，不同的观察者可能会得出不同的结论。某一静止的物体，在另外的观察者看来则有可能是运动的；同样，某一匀速运动的物体，在另外的观察者看来又可能是在作变速运动。这样的例子在物理学中举不胜举。由于观察者的运动状态不同，观察到的物理现象不同，他们依据现象总结出来的规律必然不同。这说明，对物理规律的认识，与观察者自身的运动状态密切相关，同一物理现象，在不同运动状态的观察者眼中，其规律是不同的。但真正反映事物现象间内在的、本质的、必然的联系的规律只有一种。这就引出了一个问题，究竟处于何种运动状态的观察者获得的认识与事物本身固有的物理规律最相符呢？或者说，物理定律究竟在什么情况下才具有普遍适用性，在怎样的参考系中才可以直接应用物理定律呢？ 我们认为，只有当观察者处于匀速运动之中，他获得的认识才是自然规律的直接反映，我们可以在两类参考系中直接使用物理定律，一类是惯性系，另一类是同背景系。 1．惯性系 我们知道，如果观察者自身的运动状态不断发生变化，必然造成观察到的现象与实际情况间的偏差，如匀速运动的物体被看作为变速运动，而变速运动的物体反过来被看作是匀速运动。既然观察者观察到的现象与实际情况已有偏差，以这种观察为基础总结出来的规律必然会偏离事物本身固有的规律。它除了包含事物本身固有的自然规律之外，还包含着观察者自身运动状态的变化因素。由此可见，作变速运动的观察者总结出来的规律并是自然规律本身。 那么，当观察者保持运动状态不变，即观察者作匀速运动时情况会怎么样呢？此时，匀速运动的物体被观察为匀速运动（或静止状态），变速运动的物体被观察为变速运动，不会因为观察者自身的原因导致对物体运动状态的错误判断。尽管观察者速度不同时，观察到的物体的运动速度也会不同，但只要观察者始终作匀速直线运动，则不管其速度大小如何，他们对同一物体运动速度变化情况（加速度）的观测值，总是相同的。这也就是说，只要观察者作匀速运动，观察到的物体运动速度的变化率（加速度）必然等于物体运动速度的真实变化率，与观察者的运动速度无关。而物理学要揭示的就是物体运动状态的“变化”规律，反映的都是“作用与变化”的关系（即物体受到外界作用时，其状态会发生怎样的变化）。既然当观察者作匀速运动时，观察到的速度变化等于物体运动速度的真实变化，以这种观察为基础总结出来的规律就是对事物自身运动变化规律的真实反映。由于与事物本质相对应的规律只有一种，故作匀速度运动的观察者，对同一事物总结出来的规律总是相同的。 鉴于“观察者作匀速运动”与“惯性系”的说法是等价的，故上述结论换一种说就是：从惯性系中揭示出的物理定律总是相同的，它是对事物本身固有的自然规律的真实揭示，具有普遍适用性。而从非惯性中总结出来的规律并不代表事物本身固有的自然规律，不具备普遍适用性。 由此可见，“惯性系”这一概念在物理学中非常重要，普遍适用的物理定律（公式）都是相对惯性系而言的。如果认识不到这一点，就会犯错误。相对论常常指责牛顿力学存在这样、那样的问题，其实根本不存在。 例如，相对论常用同步卫星的例子来说明牛顿定律的局限性。所谓同步卫星是指具有与地球的自转相同的角速度，在地面看来似乎固定在太空中的人造卫星。相对论认为，既然卫星在头顶上静止不动，地面上的观察者就可以得出结论说它没有加速度，根据牛顿定律，必然没有外力对它施加作用。然而，人们知道，地球的引力要使卫星“向下”，因此，牛顿派的人不得不争辩说，一定存在着一个相反的、使卫星“向上”的力，以取得引力的平衡，这种力称为“离心力”。相对论者以“离心力”不是真实力而是假想力为由来否定牛顿理论的正确性。 事实上，相对论者的上述分析和指责是不成立的。牛顿第二定律的（直接）适用范围是惯性系。在非惯性系观察到与牛顿定律不相符的物理现象，本来就十分正常，并不说明牛顿定律有什么问题。在上述例子中，相对论者似乎忘记了地球是转动的，地面上的观察者并不处在惯性系中。同步卫星并不是真正静止的，只是因为地面上的观察者处在非惯性系中，才把它当作是静止的。从惯性系来看，同步卫星在围绕地球转动，正是由于地球的引力，才使卫星维持着转动（否则，早就飞跑了），这与牛顿定律完全相符，丝毫证明不了牛顿定律有什么错误。 相对论有时还说，牛顿力学只适用于惯性系而不适用于非惯性系。这种说法就更无道理了。从日常生活到火箭上天，都离不开牛顿力学，其中又有几个是惯性系呢？不错，牛顿定律是相对惯性系而言的，这只是说，只有在惯性系中才可以直接应用牛顿定律，并不是说整个牛顿力学不适用于非惯性系。事实上，只要变换一下形式，牛顿定律照样适用于非惯性系，而这部分内容也是牛顿力学的有机组成部分。 我们已经知道，如果观察者自身作变速运动，必然会影响对物体运动状态的正确判断，观察者自身的加速度将使物体的加速度被“抵消”掉一部分，使观察到的物体加速度不再等于物体的真实加速度。在这样的参考系中应用物理定律，观察者再也不能将他观察到的加速度“直接代入”进行计算，而必须将其“还原”。以牛顿第二定律为例，其基本表达式为F=Ma。在惯性系中，F=Ma的公式可直接应用。在非惯性系中，该公式就不能直接应用。设观察者观察到的物体运动加速度为a，观察者所在参考系的加速度为a0，则物体真实加速度是a+a0（+代表矢量和）而不是a，因此在该参考系中应用牛顿第二定律时，不再为F=Ma，而应为F=M（a+a0），其数学形式发生了变化。如果将后一式子进一步改写则为F-Ma0=Ma，这一公式就可以在非惯性系中应用，其中，“-Ma0”被称为“惯性力”。由此可见，牛顿力学不是不能解决非惯性系中的物理学问题，只是它的通用公式不能直接应用，而必须作相应改变。相对论常常以“惯性力” 是虚拟力而不是真实力为由，指责牛顿力学有拼凑之嫌。事实上，我们我们已经看到，尽管把“-Ma0”叫“惯性力”这一名称是否合适值得推敲，但它的引入是有道理的，决非胡乱拼凑，相对论的指责根本不成立。 总之，要正确应用物理定律，必须正确理解公式和定律的物理含义并注意其适用范围。如果不加分辨就在非惯性系中应用，往往会得出错误结论。 尽管如此，物理定律也并非绝对不能在非惯性系中直接应用，事实上，还存在着一类特殊的非惯性系，在局部范围内，它们也可以同惯性系一样，直接应用物理定律。 2．同背景系（略） （有关这一部分内容，帖在后面的帖子中） |