1正确理解惯性系和惯性力的概念.docx

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1、正确理解惯性系和惯性力的概念摘要：首先分析了惯性系在经典力学中的重要意义以及物理学家对于惯性系的困惑，然后说明在惯性系里测量不到惯性力，最后说明实验因素对于惯性系的能量和动量的影响忽略。关镇词：惯性系；惯性力：非惯性系：困惑：主要因素中图分类号：0313.1文献标识码：A1.惯性系在物理学中的重要性坐标系是科学常用辅助方法，常见有直线坐标系，平面直角坐标系。为了说明质点的位置、运动的快慢、方向等，必须选取其坐标系。在参照系中，为确定空间一点的位置，按规定方法选取的有次序的一组数据，这就叫做“坐标”。在某一问题中规定坐标的方法，就是该问题所用的坐标系。坐标系的种类很多，常用的坐标系有：笛卡尔直角

2、坐标系、平面极坐标系、柱面坐标系（或称柱坐标系）和球面坐标系（或称球坐标系）等。物理学中常用的坐标系为直角坐标系，或称为正交坐标系。坐标原点、坐标轴及数量、坐标轴间的夹角、坐标轴上的刻度（间距）、坐标轴的方向等。除平面、柱面和球面坐标系外，一般的直角坐标系的坐标轴均为三个：X、Y、Z轴，坐标轴上的刻度（间距）是相同的，不因其所处空间的性质（真空或介质）及万有引力场及电磁场强度及方向的不同或是否存在而改变；同时，每个坐标轴的长度是无限的，也就是每个坐标系是可以用于同时描述宇宙中的所有事物的。时间一般是利用某一特定的、有规律地变化的事物在坐标系中的空间位置变化量来表达的。如：地球时就是利用地球相对

3、太阳自转一周所需持续的时间来定义为24小时的。也就是说：时间也是坐标系的基本参数之一。坐标系可以表达某一特定时刻的不同客观事物所处的空间位置信息，也可以表达某一特定客观事物在不同时刻所处的空间位置信息。但时间本身不会影响坐标系中的任何基本参数与基本特性。在研究不同事物的运动与变化规律时，可以选择不同的坐标系，这样做的好处时，可以抓住主要矛盾、简化研究过程的难度与工作量。如：在研究地面小范围内的事物运动规律时，可选择地面水平面内与事物运动方向一致的水平切线作为X轴、其垂直方向作为Y轴、垂直水平面向上的法线方向作为Z轴，坐标原点选定为事物起始时刻所在的位置。而要研究地球附近主要由地球重力主宰的事物

4、的运动规律时，就可以选择以太阳中心与地球中心连线作为X轴、沿地球绕太阳公转运动的切线方向为Y轴、以X、Y轴构成的平面的法线方向为Z轴，坐标原点选定为地球中心点。研究地球在太阳系中的运动规律时，可以选择太阳中心点与银河系中心点的连线作为X轴、太阳绕银河系运动的切线方向作为Y轴、，依此类推。以上所选择的坐标系就是所谓的参照系。参照系的基本参数与属性与坐标系完全相同。只是在参照系选定后，就不能随意更改。北师大漆安慎教授主编的力学，对科学家们实际采用的“惯性系”，进行了非常全面的归纳：“某参考系是否可视为惯性系，从根本上讲要根据观察和实验。大量的观察和实验表明，研究地球表面附近的许多现象，在相当高的实

5、验精度内，地球是惯性系。讨论人造地球卫星运动时，常选择以地心为原点，坐标轴指向恒星的地心-恒星坐标系，这是比地球精确的惯性系。在研究行星等星体的运动时，可选择以太阳中心为坐标原点，坐标轴指向其他恒星的日心-恒星坐标系，这是更精确些的惯性系。”找不到精确意义下的“惯性系”，这无可厚非，因为“惯性系”就是一种抽象出来的“理想模型”，它虽然不是真实的存在，但是用“理想模型”来解决物理学问题却非常实用、非常有效。数学通常相对理想化,而现实世界通常是非理想化的，自然现象通常是非理想化的，所以物理现象和化学现象通常也是非理想化的，所以用理想化的数学描述现实世界通常都存在问题，甚至很多情况下存在明显问题。用

6、理想化的数学描述自然现象通常都存在问题，甚至一些情况下存在明显问题。所以用理想化的数学描述实际的自然规律（物理规律和化学规律等）通常都存在问题，甚至一些情况下存在明显问题。正如普利高津曾经讲过：“物理学并不是自然界本身，而是人类与自然界的对话刻画运动时必不可少的因素或概念是参考系或参照框架，以及时间量和空间量，因为要定量化地描述物体的运动状态，参考系是不可缺少的，即当我们说运动状态是怎样时，首先要说以哪一个参考系为基准，否则一切就无从谈起。所以说参考系是重要的，即是说基准是重要的。规律的成立是与参考系的设定相关的。力学方程的形式同样与参考系的选取有关。即是说参考系的设定或参考系的性质是力学体系

7、的基础。另外，对于运动定量化的描述同时要求精确的测量，而对于运动的描述，时间、空间量则是最基础的量，因为描述物体运动状态的最基础的运动方程即是关于空间（位置）、时间的方程（函数）。在对运动的描述的基础上，进而致力于去把握物体运动状态的变化相关的规律，即动力学方程。应当说，参考系与时间、空间的问题是两个基础问题并且是紧密关联的问题，对两者的认识则是理解相对性运动问题，甚至是一切运动问题的基础。规律的形式是由参考系的性质决定的，参考系的等价性，意味着规律形式的不变性，这就是相对性原理的最基本设定。当然这仅仅是一种抽象的所指，科学理论要由具体的概念组成。因为规律形式的不变性所指的规律在不同时期可能并

8、不相同，所涉及参考系之间的参数变换形式也会改变，所以要理解相对性原理在不同时期的意义，需要结合具体的概念。1955年4月3日美国著名的科学史家LB.科恩，对爱因斯坦进行了一次采访，据科恩报道：“爱因斯坦说他永远钦佩牛顿牛顿所写过的每样东西都活在后来的物理科学著作中爱因斯坦说，回顾牛顿的全部思想，他认为牛顿的最伟大成就是他认识到特选参考系（PriViIegedSyStenlS）的作用。他十分强调地把这句话重复了几遍。我觉得这是有点令人困惑的，因为今天我们都相信，并没有什么特选系，而只有惯性系由于爱因斯坦自己的工作，我们不再（像牛顿那样）相信绝对空间和绝对时间概念，也不再相信有一个对于绝对空间是静

9、止的或者是运动的特选系。”科恩的这些困惑，当然很容易被我们理解一一“狭义相对论的整个理论都建立在惯性系的基础上”，大家普遍相信，没有什么特选参考系，而只有惯性系。2 .牛顿对于相对性原理的处理一般认为伽利略相对性原理在牛顿那里变成了一个推论，或者说牛顿在处理相对性运动问题时并没有设定相对性原理，即相对性原理并不是牛顿力学的基本原理之一，而是其中一个推论，即著名的第五推论。那么如何理解这一处理方式？或者说为什么牛顿能够把这样相对性原理处理为推论？牛顿在原理给出其展开体系之前的一系列定义之后，在随后的附注里给出了其对绝对时间、空间与相对时间、空间、绝对运动与相对运动的理解（解释）。牛顿认为“绝对空

10、间：其自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，永不移动。”在他看来“相对空间是一些可以在绝对空间中运动的结构，或是对绝对空间的量度，我们通过它与物体的相对位置感知它”。在牛顿的观念里绝对空间类似于一种无限大的“容器”，物体可以在其中运动，而绝对空间的性质并不受到在其中的事物的影响。这样一种空间的概念对于一切事物具有特殊性，是一种特殊性的存在，或者说从其中我们可以看到绝对空间在其体系中的特殊性。另外，牛顿认为绝对量是不能直接测量的，无论是绝对空间，还是绝对时间，但相对量在某种意义上是可以测量的，或者说实际的测量只能是对相对量的测量。而“通过测量相对量并应用他的运动定律，他希望达到自己真正的目的：认

11、识物体的绝对运动及其原因。”应当指出，牛顿设定绝对空间概念的一个重要原因是其要为惯性定律寻找一个依据或一种理解方式。前面已经提及，对运动状态及其变化进行（定量化的）描述，潜在地要求一个基准，即参考系。当牛顿第一定律说物体在没有受到力的作用会保持静止或匀速直线运动时，其在某种程度上潜在地设定了参考系的标准,或者说其成立是对于参考系的选择是有要求的。（即当我们说物体运动状态改变时，背后已经有参照系了，因为对物体的运动状态的描述一定要以某一参照系为准。）那么在牛顿的体系里，牛顿第一定律成立的基础是什么呢？即当牛顿第一定律设定“每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态，除非有外力作用于它迫使它改变那

12、个状态”时，其参考的对象是什么？牛顿把绝对空间作为参考对象，即绝对空间在其体系中是一个绝对参照者，基本定律的成立是相对于它而言的。另外，应当指出，惯性定律的思想与相对性原理的思想是相互交织的，这一点或许可以这样理解，即当伽利略预设运动作为运动而言，并作为运动在起作用，只是对没有这种运动的物体才存在时以及在所有具有相等运动的物体中间，运动是不起作用的，而且看去就仿佛不存在似的时，已经要求这样一种共同具有的运动是具有保持性的。而这一点与惯性定律的思想有共同之处，因为惯性定律的一个关键点恰恰是说物体的运动具有这一特性，即保持性。牛顿本人对相对性原理的处理在不同时期是不同的，据阎康年在牛顿的科学发现和

13、科学思想一书中所讲，牛顿在其早期的研究论文中把其在原理中作为推论给出的相对性原理处理为基本定律，如“他在1684年10-11月在论球体在流体中的运动一文手稿中，曾经把它列为运动五定律的第三定律。”而且在稍后的论物体在均匀的可变形介质中的运动中也把它处理为一个基本定律。但在原理中把其作为一个推论给出，即第五推论。他的观点是如何产生变化的，这里无从知晓。但这里将给出自己对牛顿把相对性原理处理成推论的理解。第五推论的内容是这样的：“一个给定的空间，不论它是静止，或是作不含圆周运动的匀速直线运动，它所包含的物体自身之间的运动不受影响。”并且牛顿在推论下面用碰撞的理论给出了说明。在他看来系统整体具有的匀

14、速宜线运动并不影响其内部的现象，因为对于碰撞的物体来说，在这两种情形下它们之间的方向相同的运动的差，与方向相反的运动的和，在两种情形下相等，因而会有相同的碰撞效果。这一点可以这样来理解,即影响碰撞效果的是两物体的相对速度而不是绝对速度。因而，物体所在空间整体的运动状态不影响其内部物体的运动。可以看到，牛顿在这里给出的说明与上述惠更斯在碰撞研究中给出的观点基本相同。那么，如何理解牛顿的这一处理方式呢？牛顿设定绝对空间作为其体系的绝对参考者，即力学基本定律是以绝对空间为基础的。因而对于相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系（牛顿称为有限的固定空间）而言，它们之间的等价性不必以相对性原理来保证。

15、这一点或许可以这样理解，即当我们只有两个参考系时，基于对称性，相对性原理是重要的，即参考系的等价性由相对性原理保证。但由于绝对参照者的存在，参考系不是两个，而是三个，因而只有绝对空间是特殊的，相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系的等价性由绝对参照者来保证。即是说因为绝对空间的设定，绝对运动就是存在的，进而更基础的参照系是存在的，或者说如此一来更多的参照系变成了普通的参照系，所有的参考系都是相对绝对参照者（即绝对空间）而言的，参考系之间的差别只是相对速度的差别。或者说相对性原理的成立仅仅被看作经验性的假设时，必然不能降低相对性原理的地位，因为似乎没有更深层次（高）的理由（原理）把其推出来。

16、只有当我们能在两个参考系中找到一更基础的标准时，或者说当两个参考系有共同的基准时，它们在理论中的地位就可以降低。而在牛顿的体系中绝对空间正是这一更基础标准的承担者。这样一来，所有相对于这样的参考系静止或作匀速直线运动的参考系同样具有相似的地位或性质，它们之间的差别体现在运动常数或积分常数上（或称为初始速度或初始状态）。那么相对性原理，即物理规律在各个参考系都相同，就不具有特殊的地位了，因为在本质上只有一个规律，参考系之间的变换问题只是方程上的常数问题，并不涉及加速度（或力）（即牛顿第二定理）的问题。所以相对性原理在牛顿这里变成了一个推论。当然，这一推理并没有在牛顿的著作里证实，牛顿似乎并没有直

17、接说第五推论是建立在绝对空间基础上的。在此基础上不同参考系之间的参数变换即为经典物理学中伽利略变换，这是经典物理学的一重要结论。当然，应当指出牛顿并没有给出不同参考系之间的参量变换关系，这些结论是由后来者推出的。伽利略没有关于相对性原理的系统表述，其思想（结论）更侧重是基于细致观察上的推广。在牛顿这里系统的理论建立起来了，而相对性原理的内容，即其有效性的范围也被清晰地指出了，那就是只有对于匀速直线运动的参考系，相对性原理才有效。虽然没有把其作为基本原理给出，但相对性原理的基本内容以及关键点已经基本指出。但牛顿在这个问题上没有做更多的工作，他没有指出对于同一物理过程而言，不同的参考系内的规律是相

18、同的，而是同伽利略一样仅仅指出在不同的参考系内进行同样的实验，如碰撞实验，它们遵从同样的规律，即仅仅是对两个实验进行比较说明，并没有给出参考系之间的参量变换关系。后面可以看到这些问题是在牛顿之后才被解决的。3 .为牛顿第一定律的建立而奋斗过的人们1 .1生活经验的总结者一一亚里士多德：长期以来,在研究物体运动原因的过程中,人们的经验是：要使一个物体运动,必须推塔或者拉它一下,因此,人们直觉第认为,物体的运动与推、拉等行为相联系,如果不再推、拉,原来运动的物体便会停止下来。根据这类经验,亚里土多德得出结论：必须有力作用在物体上,物体才能运动；没有力的作用,物体就要静止在一个地方。这个由明显的线索

19、得出的错误判断,维持了近两千年,直到三百多年前伽利略的出现。3 .2理想实验的践行者一一伽利略：伽利略注意到,当一个小球沿斜面向下运动时,它的速度增大；而当小球沿斜面向上运动时,它的速度减小，由此伽利略猜想：当小球沿水平面运动时,它的速度应该不增不减。那么,实际情况中,为什么小球沿水平面运动时,速度会越来越慢呢？原来是由于小球受到摩擦阻力的作用。并由此推断,若没有摩擦阻力,球将永远运动下去。伽利略为了说明他的思想,设计了一个实验：让小球沿一个斜面从静止状态开始向下运动,小球将“冲”上另一个斜面。如果没有摩擦,小球将上升到原来的高度。减小第二个斜面的倾角，小球在这个斜面上仍将达到同一高度,但这是

20、他要运动的远些。继续减小第二个斜面的倾角,球达到同一高度时会离得更远。于是他想到,若将第二个斜面平放,小球会到达多远的位置呢？结论显然是,球将永远运动下去,却不再需要什么力去推动。也就是说,力不是维持物体运动的原因。当然,我们不能消除一切阻力，也不能把第二个斜面做得无限长,所以，伽利略的实验是个“理想实验”。伽利略提出：“在科学研究中，懂得忽略什么，有时与懂得重视什么同等重要J4 .3迈向真理的接力者一一笛卡尔：与伽利略同时代的法国科学家笛卡尔也研究了这个问题,他指出：如果运动中的物体没有受到力的作用,它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不会停止下来,也不会偏离原来的方向。5 .4物理基石的奠

21、定者一一牛顿：在伽利略和笛卡尔工作的基础上,在经历了一代人以后,牛顿提出了动力学的一条基本定律:一切物体总保持静止状态或匀速直线运动状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止。这就是牛顿第一定律。牛顿第一定律表明,物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质,我们把这个性质叫做惯性,因此,牛顿第一定律也叫惯性定律。由于这个定律给出了惯性的概念,所以人们说,它是物理学的基础,是奠定牛顿物理学的基石。因为不可能把自然界的任何物体完全孤立起来,也就是说,不受力作用的物体是不存在的,所以,牛顿第一定律是利用逻辑思维对事实进行分析的产物,不可能用实验直接验证。牛顿第一运动定律，内容为：没有受到外力作用的

22、物体，保持匀速直线运动或静止状态不变,直到有外力迫使它改变这种状态为止。这条定律是牛顿根据伽利略、笛卡尔等人的研究成果总结出来的，是牛顿力学的出发点，故又称运动第一定律。其实，严格意义上讲，匀速直线运动的定义是否规范还有待考虑。首先，定义这种运动是需要有参照系的。因为根据相对性原理，运动是相对的，那在定义匀速直线运动的过程中如果以惯性参照系为参考的话，那定理就存在很大的问题。惯性参考系本来指的就是匀速运动的状态的实验室。这样一来，同种概念来定义自己，显然没有说服力。所以很简单就可以看出，牛顿定义这个理论时是以他的绝对空间和绝对时间定义的。牛顿声言他所研究的运动是在“绝对空间”和“绝对时间”中进

23、行的“绝对运动”。他写道“绝对的，真正的数学时间是在不断的流逝着，而且由于其本性而均匀地与任何其他外界事物无关地流逝着。”“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远相同的和不动的。”然而，自爱因斯坦创立狭义相对论以来，人们已经彻底否定了“绝对时空”的概念，脱离物质存在的所谓“绝对时间”、“绝对运动”只不过是一些形而上学的概念。然而，定律所阐述运动是对惯性参照系而言的。现行教材对惯性参考系是这样定义的：“牛顿第一定律成立的参照系叫做惯性参照系或惯性系。”显然这个定义依赖于第一运动定律，即由第一运动定律来确定惯性参照系。牛顿用著名的水桶实验来说明惯性力的性质，其实验原理如下：一个装有水

24、的桶，最初桶和水都静止，水面是平的。然后让桶以角速度转动，刚开始时，水未被桶带动，这时桶转水不转，水面仍是平的。过一段时间后，水渐渐被桶带动旋转，最后与桶一起以角速度转动，这时水面是凹形的。然后，让桶突然停止转动，这时水仍以角速度旋转，水面仍是凹的。牛顿认为，由于水面呈凹形是由于受到惯性离心力作用的结果，因此存在不依赖于物质的绝对空间和绝对时间。当系统相对于绝对静止的绝对空间做绝对加速运动时，就出现惯性力。因此，水面是否呈凹形只与水相对绝对空间运动有关，而与水是否相对桶运动无关。爱因斯坦则认为不存在绝对空间和绝对时间，惯性力只不过是由于系统相对于惯性系做加速运动所致。水面呈凹形，是由于水相对于

25、惯性系转动的结果。综上所述,牛顿第一运动定律是说一个物体不受力,它相对于惯性系就做匀速直线运动。但是又只能根据一个物体相对于惯性系做匀速直线运动，才能肯定这个物体不受力，同时又只能根据一个物体不受力时做匀速直线运动，才能断定所用的参照系是惯性系。这样，就完全陷入了逻辑循环。然而，必须认识到，牛顿第一运动定律的“逻辑循环”性质，并不影响它的科学性。实际上，惯性系是近似地存在着的。如地面以及相对于地面静止或匀速直线运动的物体都是近似程度相当好的惯性系。正是在这些近似程度相当好的惯性参照系上的无数次科学实验活动，证实了牛顿力学的相对正确性，从而间接地验证了牛顿力学出发点的第一定律的正确性。作为力学的

26、第一条命题一一牛顿第一定律，它就必定会含有“逻辑循环”的性质，它是不可能通过物理学的其他定义或定律，也不可能通过直接的物理实验得到证明的。牛顿第一定律具有公理性，只能依靠以它为出发点所推出的大量结论与无数实验事实的符合得到验证。牛顿第二定律是在第一定律的基础上，进一步确定了力、质量和加速度这三个物理量之E=ma间的关系，其数学表述为：，（1）第二定律揭示出力是使物体获得加速度的外因，而质量是物体在受到一定的合外力作用时，决定它获得加速度大小的内因。如果将一个量值相等的合外力，分别先后作用于两个不同质量的宏观物体，它们分别沿着合外力的方向上所获得的加速度外和4,将于它们的质量必和呵成反比，即生明

27、（2）此比例关系与其所受合外力的大小无关。因此根据（2）式，可以确定物体的质量。当作用于物体上的合外力为一定量时，获得加速度较大的物体，其质量较小；获得加速度较小的物体，其质量较大。再结合第一定律来看，再同等的合外力作用下，物体获得加速度较大，表明该物体的原有运动状态较容易被改变，也即其惯性较小的物体获得加速度较小，表明其原有运动状态较难改变，也即其惯性较大。可见，质量使物体惯性的具体表现，是惯性大小的定量量度。根据牛顿第二定律（1）式，当一个宏观物体不受合外力或所受合外力为零时，有O=,E=ma=QE=Oidt这时速度矢量V必为恒量。这表明了当i时，物体的原有运动状态不变，这就是第一运动定律

28、的具体表现。于是有人认为：“第二定律事实上包括了ZE=。第一定律。第一定律只不过是在第二定律中，的一种特殊情况而已。”从表面上看来是有这样的关系，但是从定律的本质意义上来看，这种说法是不恰当的。第一定律有它的独立性意义，它揭示了“任何物体不受外力作用时，都要保持它原有的运动状态不变”这样的一种客观自然规律，这种规律的存在是由于物质的存在本身所具有的特殊性所决定的，而不是由第二定律导出来的。相反，正是由于有了第一定律才确定了“惯性”这个概念，有了“惯性”这个概念，才有所谓“惯性参照系”，有了“惯性参照系”，才有了第二定律的出现。换句话说，如果缺少第一定律，则无法首先刻画力、质量和惯性系这三个最基

29、本的概念，从而使牛顿第二定律的建立失去基础。因此，第一定律与第二定律各自具有独立性的本质意义。根据牛顿第一定律，可以定义“力是改变物体运动状态的原因”。但是这个定义只能局限在动力学的范畴内。根据牛顿第二定律，也可以定义“力是使物体获得加速度的原因”，这个定义的局限性更大，它只能应用于指点动力学范畴。只有牛顿第三定律才揭示了“力是物体对物体的相互作用”，物体对物体的相互作用的本质是力的本质，是力的普遍性意义。但是要注意，作用与反作用这两个力是分别作用在这两个相互作用的每一个物体上，结果每一个相互作用的物体都只收到一个力的作用。因此，作用力与反作用力虽然量值相等方向相反，并且作用在同一直线上，但不

30、是同时作用于同一物体，所以作用力与反作用力不是平衡力。1927年爱因斯坦在纪念牛顿逝世200周年的文章中指出：“伽利略已经在认识运动定律上作了一个意义重大的开端。他发现了惯性定律和地球引力场中的自由落体定律。但是应当注意，上面这两条陈述都是讲的整个运动，而牛顿的运动定律则回答这样的问题：在外力的作用下,质点的运动状态在一个无限短的时间内应该如何变化？只有考虑到在无限短的时间内发生了什么（微分定律），牛顿才得到一个适用于任何运动的公式。”简言之，爱因斯坦已深刻地认识到：1）伽利略发现的惯性定律“是讲的整个运动”：2）而牛顿的运动定律，则是微分定律；3）微分定律只考虑在“无限短的时间内”发生了什么

31、。综上所述,第一定律揭示了物质的一个普遍的基本的属性惯性,定义了惯性参照系,明确了力是改变物体运动状态的原因；第二定律揭示了力、质量、加速度三者的定量关系，明确了力是使物体获得加速度的原因；但这两个有关力的定义都有一定的局限性，都不是力的本质意义，只有牛顿第三定律揭示了力的本质是物体对物体的相互作用。可见，牛顿三定律各自具有独特的本质意义。牛顿三定律一起构成了整个经典力学的理论基础。物理学正是在未知领域探索的科学,物理学丰富的历史为这种思维艺术提供了丰富的范例。物理学家常常需要在缺乏合适概念的情况下思考问题，在不知道逻辑和数学如何发挥作用的情况下找到答案，并且发明适合描述未知世界的新概念和新语

32、言。物理学思维的艺术就在于，我们需要在面对这类困难的情况下找到合适的方法获得答案，甚至在不知道答案为什么是正确的情况下得到正确的答案，然后再考虑如何完善打造出逻辑严密的理论体系。这是辉煌的智力成就，是高超的思维艺术。此外，正是在这种首先获得的少量可靠线索的指引之下，辨析概念和打造理论体系的努力才不会陷于概念的丛林之中而找不到正确的前进方向。这样才可能在还有许多问题没有被透彻理解的情况下就建立起可靠的理论体系,这也正是在物理学历史上多次发生的情况。4 .牛顿力学里的绝对空间牛顿的绝对时空概念，只是牛顿对时空的一种数学抽象，这从“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着,”可以十分明显地看出。其中数

33、学二字表明牛顿怕别人误解而特意指明绝对时间是一种数学的抽象。牛顿的相对时空概念，是整个牛顿力学体系中的不可分割的组成部分。牛顿认为：“相对空间是绝对空间的可移动部分或量度，我们的感官通过绝对空间对其他物体的位置而确定了它，并且通常把它当作不动的空间看待。如相对于地球而言的地下，大气，或天体等空间就都是这样来确定的。”可见，牛顿的相对空间概念与我们今天的相对空间概念，没有什么不同。牛顿清醒地认识到，我们周围的空间都是相对空间。牛顿还深刻地认识到，相对空间是表观的，在表观的相对空间的背后或内部，隐藏着真正的空间，这就是绝对空间。从牛顿力学的基本定律和概念出发，就一定要求有一个相对的实际可用的时空概

34、念。物体的位置移动，就要求空间“空”；物体的静止，就要求空间保持相对的“不动”；物体的匀速运动，就要求空间“平直”、“均匀”；而且还要求时间相对的均匀，没有太明显的快慢节奏。反过来，只有相对时间和空间概念才能保证牛顿力学规律的有效性和可操作性。在牛顿的力学定律（包括惯性定律）的表达里没有明确指明，所谓“静止”、“匀速直线运动”和“运动状态的改变”是对什么参考物体而言的，只要具体情况具体指定就可以。在牛顿力学中“力”是物体间的相互作用，这是与参考物体有关的，运动状态及其改变的参考物体就是原参考物体。牛顿完全了解自己理论中存在有一些薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准一一绝对或相对空间，用以判

35、断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态。牛顿承认，区分特定物体的绝对运动（即相对于绝对空间的运动）和相对运动，也非易事。不过，牛顿是一个经验论者，他不能容忍在他的体系中存在先验的观念。他认为，物理的实在必须是能被感知的。那么，如何来感知他所规定的“绝对空间”呢?牛顿设计了一个理想实验，用来判断哪些运动是相对于绝对空间的绝对运动。这就是著名的水桶实验，见前面的文章一一运动的绝对性与相对性。绝对空间在哪里？牛顿曾经设想，在恒星所在的遥远的地方，或许在它们之外更遥远的地方。他提出假设，宇宙的中心是不动的，这就是他所想象的绝对空间。从现今的观点来看，牛顿的宇宙的中心是不对的，因为宇宙没有中心。

36、不过，牛顿当时清楚地意识到，要想给惯性原理以一个确切的意义，那就必须把空间作为独立于物体惯性行为之外的原因引进来。爱因斯坦认为，牛顿引入绝对空间，对于建立他的力学体系是必要的，这是在那个时代“一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路”。爱因斯坦看到牛顿力学是建立在绝对空间概念基础上的，空间（也含时间）在牛顿力学那里起着双重的作用，“首先，它们起着物理学中所出现的事件的载体或者构架的作用，事件是参照这种载体或构架用空间坐标和时间来描述的。原则上，物质被看作是由质点所组成的，质点的运动构成了物理事件。空间的第二个作用是作为一种“惯性系”。此惯性系之所以被认为比一切可想象的参照系都优越，就

37、是因为对它们来说，惯性定律必定是成立的。牛顿完全清楚地认识到，在他的体系中，空间和时间正如同质点一样是实在的东西。因为如果人们除了物体之外，不承认空间和时间也是实在的东西，那么惯性定律和加速度概念就完全失去了意义。加速只不过是意味着相对于空间的加速。牛顿物理学的特征在于它不得不认为空间和时间象物质一样，都是独立而实在的存在，这是因为在牛顿运动定律中出现了加速度的观念。但是，在这理论中，加速度只能指对于空间的加速度，为了使人们能把那个出现在运动定律中的加速度，看作一个具有任何意义的量，牛顿的空间因而必须被认为是静止的，或者至少是非加速的。对于时间也差不多一样，时间当然也同样进入加速度概念里。说一

38、定要认为空间本身和它的运动状态都同样具有物理实在性，对此，牛顿自己和他同时代的最有批判眼光的人都是感到不安的；但是，如果人们要想给力学以清晰的意义，在当时都没有别的办法。当牛顿说空间是绝对的时候，他无疑是指空间的这种实在的意义，这使他必须把一种完全确定的运动状态加给空间，而这种运动状态看来是不能由力学现象完全确定下来的。”当代的物理教科书在讲牛顿力学时，为避免“绝对空间”的提法，都采用“惯性参考系”的概念。据考证，这想法是德国物理学家朗格（LLange）提出的。在牛顿力学的框架中，给惯性系下的定义是惯性定律在其中成立的一类参考系，即在此类参考系中，一个不受外力作用的物体总是作匀速直线运动的。若

39、要再问，怎样知道一个物体没有受到外力呢？在一个参考系中，只要某个物体符合惯性定律，则惯性定律将对其它物体成立。我们把惯性参考系定义为“对某一特定物体惯性定律成立的参考系，从这里我们再次看到，惯性不是个别物体的性质，而是参考系，或者说，时空的性质。用“惯性参考系”替代“绝对空间”，只是回避了牛顿力学的困难，但是并没有真正解决问题。这样，在牛顿力学的框架里，我们必须严格地区分“惯性”和“非惯性”两类参考系，在惯性参考系内，惯性定律和其它牛顿力学定律成立；在非惯性参考系内，牛顿三定律不成立。在所有惯性参考系之间，伽利略相对性原理成立，从而它们都是平权的。在非惯性参考系内则会出现一些“反常”现象。在普

40、利高津看来,在近代科学的经典一一牛顿力学中，时间作为一个描述运动的参数,是反演对称的，把t换为T有相同的结果，这意味未来和过去看来没有实质性的区别。用时间的纯粹性很容易解释这一点：在牛顿力学中，物理定律是客观的，时间是纯粹的，纯粹的时间与客观的物理定律不发生直接的关系，既然如此，用T替换t当然不会改变物理定律的形式。我们知道，在火车上会产生这样一种有趣的景象：顺着火车运动的方向，近处的物体相对于远处物体在倒退，远处的物体则相对于近处物体在前进。也就是说，近处的物体相对于远处物体有一个向后的位移，同样地，如果地球真的在运动，在地球轨道半径两端，就应该看到比较近的恒星相对于比较远的恒星有一个位移。

41、这种现象在天文学上叫做视差位移，也就是地球轨道半径在该恒星处的张角。称为恒星的视差。恒星的视差很小，只有零点几个角秒。一直到十八世纪，终于测出了恒星的视差，证实了地球确实是在绕太阳转动着。这也就是人们测到了地球真的是在绕太阳转动。因为人的眼睛所看到的物体的大小与物体和人的距离有关。同一个物体越远看起来就越小。如果物体在无穷远处，物体的大小就退缩成一点，物体运动的任一距离也退缩成一点，不难想象物体运动的速度永远为0,因此，无穷远坐标系就是一个绝对不动的坐标系。其实。天文上的恒星坐标系就是一个近似的绝对坐标系。同样地，我们完全可以把无穷远的天球看成是一个绝对不动的空间一一绝对空间。同样地，时间的精

42、度也在不断地提高。第一台葩原子钟的发明，使得时钟的误差从摆钟的每天千分之一秒、石英钟的每天万分之一秒，精确到30万年不超过一秒。在大多数人眼里，一秒钟只不过是时钟“滴答”一下。但是，对于许多实验物理学家来说，看似简单的“滴答”一下却是一个漫长的过程：钠原子在能级跃迁时要振荡9192631770次。相应的一秒钟精度，也就到了小数点后第9位。美国国家标准与技术研究所(NIST)和位于法国巴黎的国际标准局(BIMP)对时间的控制，实际上已经达到1亿年误差不超过1秒钟的水平。如果采用更高更稳定的可见光频率来计时，与每秒高达10”的光学振动相比，原子的IO,振动频率差了5个数量级。而伽玛射线的上限频率目

43、前还未发现。我们以后得到的时间精度会更高。20世纪初相对论问世后，对牛顿时空观的批判纷至沓来，人们重新把牛顿的绝对时空观与同时代的莱布尼兹的观点比较(与牛顿同时代的莱布尼兹反对牛顿将时空观视为独立于物质和运动的绝对的东西。他甚至颇有远见的指出：“没有什么空间是没有物质的，以及空间本身不是一种绝对实在。空间和物质的区别就像时间和运动的区别一样。可是，这些东西虽有区别，却是不可分离的。”)，激烈的抨击牛顿的时空观说：“牛顿的时空观是一种典型的形而上学的时空观，莱布尼兹对他的批判充满了辩证法的精神J牛顿声称自己研究的运动是在绝对空间和绝对时间中进行的绝对运动，因而在他看来，第一定律应在绝对空间成立。

44、”。1883年马赫出版了他的力学及其发展的批判历史概论，对牛顿原理中一些重要的力学思想，进行了影响极其深远的批判。马赫批判说：“牛顿再次违背了他表达的仅仅研究实际事实的意图。没有一个人有能力断定关于绝对空间和绝对运动的东西我们的一切力学原理都是关于物体的相对位置和相对运动的经验知识”；“通过旋转水桶讨论，他牛顿确信能够证明绝对运动”；牛顿“使惯性定律参照特殊的绝对空间是不必要的；“绝对运动是一种亳无内容的、不能在科学中使用的概念”；“牛顿使全部力学参照绝对空间”！爱因斯坦强调：“如果人们从相对运动这概念出发，那么在牛顿运动方程中出现的加速度就难以理解了。这迫使牛顿想出一种物理空间，假定加速度是

45、相对于它而存在的。为此特意引进绝对空间概念爱因斯坦还强调：牛顿“已经认识到，可观察的几何量(质点彼此之间的距离)和它们在时间中的进程，并不能从物理方面完备地表征运动。他以著名的旋转水桶实验来证明这一点。因此，除了物体和随时间变化的距离以外，还必须有另一种决定运动的东西。他认为，这种东西就是对于绝对空间的关系J北师大赵峥教授在广义相对论基础中告诉我们：“牛顿认为只有相对于绝对空间的加速才是真加速通过水桶实验，牛顿论证了绝对空间的存在。”北大赵凯华教授在力学中告诉我们：“牛顿力学的理论框架本身并不能明确给出什么是惯性系他的解决办法是引入一个客观标准一一绝对空间,用以判断各物体是处于静止、匀速运动，

46、还是加速运动状态。”爱因斯坦1920年已经意识到了自己原先对绝对空间的误解，因此才会说：“牛顿同样也可以恰当地把他的绝对空间叫做以太；问题的实质就在于为了能够把加速度和转动都看做是某种实在的东西还必须把另一种不可察觉的东西也看做是实在的。”据中国科学院自然科学史研究所阎康年研究员考证：【在马赫（对“绝对空间”）的批判之后两年，德国物理学家朗奇（LLange）在1885年发表的论伽利略惯性律的科学结构一书中，从物理概念的基础寻找消除绝对空间概念的方法。这个方法是用惯性系取代绝对空间，将牛顿力学体系建立在惯性系的基础上，从而使牛顿的力学定律在消除绝对空间的条件下，仍能保持其全部物理意义。他的这种观

47、点在随后几年中，被物理学界广泛认为是对物理基础的卓越贡献，并被认为是摆脱19世纪牛顿力学遇到佯谬局面的良策。】5 .物理学家对于惯性系的困惑教科书上定义：“惯性定律成立的参考系，为惯性参考系，简称惯性系J并告诫我们：“牛顿定律只有在惯性系中才成立J奇怪的是在牛顿的全部著作中，却找不到惯性系这个概念！爱因斯坦说：“究竟是否存在一个惯性系的问题，直到现在还无法决定。”北京师范大学物理学院赵峥教授也不解：“狭义相对论的整个理论都建立在惯性系的基础上，但是我们却无法定义或找到一个惯性系。惯性力不是起源于物质之间的相互作用，因而没有反作用力，这个特点至今仍然使人感到迷惑”。被公认为爱因斯坦之后最睿智的理

48、论物理学家费曼则哀叹:“没有人找到为什么物体会按惯性而行的原因。我们不知道惯性定律的来源J51中科院理论物理所郭汉英研究员认为：“作为一个理论体系，牛顿理论并没有完成惯性在牛顿体系中起着核心作用，其起源却无法解决。”网爱因斯坦在为雅莫的空间概念写的前言中认为，“如果给古典的惯性原理以确切的意义，就必须把空间作为物体惯性行为的独立原因引进来J爱因斯坦还指出：牛顿“已经认识到，可观察的几何量（质点彼此之间的距离）和它们在时间中的进程，并不能从物理方面完备地表征运动。他以著名的旋转水桶实验来证明这一点。因此，除了物体和随时间变化的距离以外，还必须有另一种决定运动的东西。他认为，这种东西就是对于绝对空

49、间的关系。爱因斯坦认为，牛顿引入绝对空间，对于建立他的力学体系是必要的，这是在那个时代“一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路J北大赵凯华教授剖析：“牛顿力学的理论框架本身并不能明确给出什么是惯性参考系。牛顿完全了解自己理论中存在的这一薄弱环节,他的解决办法是引入一个客观标准一一绝对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态。在牛顿力学的框架里，我们必须严格地区分“惯性”和“非惯性”两类参考系。在惯性参考系内，惯性定律和其它牛顿力学定律成立；在非惯性参考系内，牛顿三定律不成立。在所有惯性参考系之间，伽利略相对性原理成立，从而它们都是平权的。复旦郑永令教授指出：“牛顿”第一定律定义了惯性系。根据惯性系的定义一一惯性定律在其中成立的参考系为惯性系。那么，要确认一个参考系是否为惯性系，就必