惯性系惯性力疑难文献综述
摘 要：了解惯性力的来源，熟知它的发展以及它的未来发展趋势都离不开非惯性系，而牛顿定律在非惯性系中完美成立。
关键词：惯性力；非惯性系；惯性系；牛顿力学；引潮力
- 惯性系疑难的文献综述
惯性系的概念最早来自于朗格的定义。郎格最早以文献的形式提出了惯性系概念并出给这样的惯性系定义[1]：惯性定律成立的参考系为惯性系。惯性定律是物理学理论的第一个假说，是物理学的出发点和基础。
通常把惯性系定义为：不受外力作用的物体，在其中保持静止或匀速直线运动的状态而不变的坐标系。当一个物体在惯性系中保持静止或匀速直线运动的状态不变时，它就没有受到外力的作用。由于定义“惯性系”要先定义“不受外力”，而定义“不受外力”又要先定义“惯性系”陷入了逻辑循环。在狭义相对论中，人们无法严格定义惯性系。事实上，宇宙间并不存在严格的惯性系，所以我们总是不可避免地要在非惯性系中研究物理规律。所谓惯性系只不过是一种近似而已，例如在弱引力场作用下，空间接近欧几里得空间，可以近似地引入惯性系，在一般引力场中，对处于自由下落的参考系中的观测者而言，也可近似地认为它是一个局部惯性系。[2]
- 惯性力疑难的文献综述
- 惯性力的主要学术观点
惯性力来自于非惯性系，非惯性系非常好得解决了我们生活中的日常问题。而对惯性力的讨论开始于西欧，在马赫的理论中，不认同惯性力的真实性与坐标系选择有关的观点；认为物体之所以有惯性，是因为物体与宇宙中无穷远处大质量的相互作用。1981年在苏联出版的专著《相对运动力学和惯性力》中认为：只有那些使质点和物体相对“绝对”坐标系产生加速度的力，才是真实存在的力。本世纪前期有关惯性力讨论的中心转移到苏联。1940年的《什么是惯性力？》这本书这样叙道：自然惯性力是真实力，牛顿惯性力为假想力。讨论惯性力焦点是惯性力是真实力还是假想力。[3] 在中国， 惯性力的讨论也曾经一度掀起了高潮。 在1981年广州会议上讨论惯性力的论文有廿十余篇，提出了各种各样的看法。根据学术观点，主要分为两派。一派认为惯性力是真实力，其中代表人物是沈光烈，高炳坤等。沈光烈的观点是将惯性力定义为非惯性坐标系中的物体所受到的力，其数学形式同相对运动动力学中规定一样。强调两点，其中一点是：惯性力不是虚拟的、假想的，它是作用在非惯性系中物体上的一种确实的力。[4] 还有一派认为惯性力是虚拟力，其中代表人物有孙智，宋天齐等。孙智和冯有良认为惯性力无论在惯性系还是在非惯性系都不是真实力， 而是在非惯性系中为了使牛顿定律成立所引入的虚拟力，此力并非客观存在。若存在传递“惯性力场”相互作用的粒子，那它必将同惯性力一起随参考系不同存在或消失。在非惯性中的惯性力依赖惯性系，而且由惯性系描述、确定，所以也必然随绝对惯性系的不存在而消失。但是他们指出惯性力的力学效应是存在的且不服从牛三定律。[5]宋天齐认为惯性力是虚拟力，不反映物体间真实作用，不具备“力是物体间的相互作用”。但也同时指出了惯性力的实质是非惯性系加速的效应。[6]单从加速度这一点看与高炳坤认为的惯性力原来是相对运动变化的结果不谋而合。[7] 上述两派都有一个共同点：惯性力具有和牛顿力一样的量纲和作用效应，都是真实体现出来的力学效应。
- 高炳坤等对于惯性力的理论探索[1]
在国内，对惯性力的本质问题做长期深入研究的是高炳坤。高炳坤认为首
先牛顿力学框架面临的两大疑难：惯性系的物理定义和被观测物体受力的确定。因为绝对空间不存在，为了保留惯性系的物理概念，德国物理学家郎格为解决第一大疑难定义惯性系为惯性定律成立的参考系。惯性系的定义可通俗说成：找一个不受力的物体，再选其它一物体作为参照物来观察原先不受力的物体，若它的运动状态不变，则该参照物是惯性系；否则，该参照物就不是惯性系。因为确定惯性系要有两个物体，即使外物皆空，两物体也存在引力，所以不受力的物体不存在，也就不存在惯性系。高炳坤还提出了通过引入无引力作用的物体模型来寻找建立惯性系。高炳坤和李复提出了一个相当成功的无引力作用的物体模型：一均质球壳，腔内有一小球，并假设太空中再无其他物体。若选球壳为参考系是否为惯性系，分析小球对球壳的运动即可。首先假设有一个惯性系，利用牛顿定律分析球壳和小球对假设的参考系如何运动，再利用速度变换公式找到小球相对于球壳的运动状态。为了确定小球的受力，先假设万物皆空，只有均质球壳与腔内小球在运动，这就避开了第二大疑难。再任选一惯性系来分别讨论球壳与小球的运动规律，有五种不同的情况。其中三种由于存在角速度，因牛顿定律知相对惯性系转动的参考系不是惯性系，故转动的均质球壳不是惯性系。另两种即使是相对惯性系匀速平动，但由实验发现的现象来分析并不能确定均质球壳是惯性系。经过一番理论分析，高炳坤和李复提出了坐标架在均质球壳的腔内区域（无引力）成为严格的惯性系。这与广义相对论的观点吻合：无引力的区域是惯性系，有引力的区域不是惯性系。
高炳坤和李复紧接着又提出了惯性系攻克了第一大疑难但是万物皆空是不存在的，故第二大疑难未被克服，因此引进局域惯性系。在均质球壳外径足够小时，“利用小球相对于均质球壳做圆锥形螺旋运动”的方法建立坐标架为局域惯性系。因为局域惯性系相对全域惯性系有平动，若选它为参考系时，必伴有一均匀的惯性力场。不同的局域惯性系相对于全域惯性系有不同的加速度，所以说局域惯性系并不是严格的惯性系。局域惯性系的坐标架rsquo;可以为星球参考系和质心参考系标定方向。星球参考系是以星球的质心为原点，建一相对于局域惯性系的坐标架平动的坐标架O-xyz，且星球相对于此坐标架可以转动。星球参考系中的引潮力场是惯性力场消除后的剩余引力场。从引潮力场强的式子知与到原点的距离r成正比，这为第二大疑难提供强有力的依据：越靠近星球参考系的原点，太空中的引力场消除得越干净。由于物体在星球参考系中要受到惯性力，那星球参考系就不是惯性系；但所研究的对象远远小于星球质量，那就可以把星球参考系近似看作惯性系，平常的地心参考系和日心参考系就是近似的惯性系。总引潮力只是在一个范围内确实是可以忽略的。若把星球和物体视为一个系统时，星球还要受到一个惯性力，且这个惯性力已大到与系统内力等大的地步，是决不可忽略的，故决不能把星球参考系视为惯性系。质心参考系是使牛顿定律成立的参考系。质心参考系是以系统的质心C为原点，建一相对于局域惯性系的坐标架平动的坐标架C-xyz。当系统中各质点的分布区域足够小时，每个质点受的引潮力可以忽略，因此系统内各质点仅受系统的内力，只考虑内力牛顿定律就成立了。质心参考系是现实中最好的参考系。宇宙的质心参考系或相对它匀速平动的参考系就是全域参考系，但这只是理论上的，因为找不到宇宙的质心。局域惯性系、星球参考系和质心参考系相对于惯性系都有加速度，因此它们都不是惯性系；但都有消除“宇宙的引力场”的作用，既然未知的力被消除，就只要针对“可知力”来探讨牛顿定律适用的场所。
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