一直以來(lái)，喜歡物理的老郭跟各位小伙伴們一樣，也是經(jīng)歷了從中學(xué)到大學(xué)的學(xué)習(xí)，也自行看過(guò)很多的物理方面的書籍和論文，但是關(guān)于慣性系這個(gè)最基本的物理概念，卻是說(shuō)法很多，并沒(méi)有嚴(yán)格的統(tǒng)一。這里，我就嘗試著，就慣性系這個(gè)話題跟大家進(jìn)行一下探討。同時(shí)也是為了回應(yīng)我上一篇關(guān)于慣性的文章中，一個(gè)網(wǎng)友在評(píng)論區(qū)中的要求，希望能談一下這個(gè)問(wèn)題。我也希望那位留言網(wǎng)友能夠看到這篇文章。

圖1 慣性的效果示意圖

一、對(duì)于慣性系認(rèn)識(shí)的混亂

我們從中學(xué)到大學(xué)的物理課上一直都在談慣性系。然而，隨著學(xué)習(xí)的增加，你不問(wèn)我，我很明白，你一問(wèn)我，我卻茫然。這是因?yàn)椴煌滩闹嘘P(guān)于慣性系的表述并不是統(tǒng)一的，你讓我拿出一個(gè)明確的概念出來(lái)，確實(shí)是不能一下子說(shuō)明白。我總結(jié)了一下，主要有下面幾種說(shuō)法：

1、慣性定律定義的參照系，即不受任何外力、保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系。

2、牛頓運(yùn)動(dòng)定律在其中有效的參考系，稱慣性坐標(biāo)系，簡(jiǎn)稱慣性系。

3、當(dāng)粒子所受到的合外力為零時(shí)，粒子將保持靜止或者做勻速直線運(yùn)動(dòng)，這樣的參考系稱為慣性系。

圖2 合外力為零的物體狀態(tài)

4、大學(xué)物理中給出的慣性系的定義：慣性定律成立的參考系為慣性參考系，簡(jiǎn)稱慣性系。

5、在動(dòng)力學(xué)當(dāng)中，應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律時(shí)，我們都需要先建立參照系。參照系可以任意選擇，視研究的方便而定。但在應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律時(shí)，需要特別注意參照系的選取，因?yàn)榕ｎD定律不是對(duì)任意參照系都成立。

從上面的分析我們可以看出，對(duì)于慣性系的定義沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的說(shuō)法。這么多說(shuō)法提出來(lái)，必然造成人的認(rèn)識(shí)的混亂，導(dǎo)致概念不清晰、理解不透徹。

圖3 伽利略第一個(gè)描述了慣性系

二、為什么一定要定義慣性系

在物理學(xué)的研究中，總是從最理想的情況建立模型，再推廣到復(fù)雜情況。這樣，我們就能在這個(gè)模型中，使用數(shù)學(xué)工具，對(duì)運(yùn)動(dòng)和力進(jìn)行描述和定量分析。如果存在著一個(gè)慣性系，這意味著這個(gè)坐標(biāo)系與外界無(wú)相互作用，只有自己的慣性運(yùn)動(dòng)，是最簡(jiǎn)單、最理想的坐標(biāo)系。只有在這個(gè)坐標(biāo)系下，伽利略變換才適用，牛頓三定律才成立。而在非慣性系下就要對(duì)牛頓三定律做修改，加入一些慣性力等。后來(lái)狹義相對(duì)論的核心——洛倫茲變換，也必須在慣性系下成立，也就是說(shuō)狹義相對(duì)論只適用于慣性系。非慣性系就要考慮坐標(biāo)系的自身加速度，那么必須用廣義相對(duì)論了。

圖4 阻力對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響實(shí)驗(yàn)

三、慣性定律

每個(gè)物體都保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，除非有外力作用于它迫使他改變那個(gè)狀態(tài)。這就是慣性定律。這個(gè)定義說(shuō)明了物質(zhì)具有保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)，我們把物質(zhì)的這個(gè)屬性叫做慣性。所以這個(gè)定律被稱為慣性定律，也叫做牛頓第一定律。慣性定律的現(xiàn)代表述：自由粒子永遠(yuǎn)保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。

所謂的“自由粒子”，是不受任何相互作用的粒子（質(zhì)點(diǎn)），它應(yīng)該是完全孤立的，或者是宇宙中唯一的粒子。很顯然這種粒子我們是無(wú)法找到的，或者說(shuō)是不存在的?？墒侨绻娴挠羞@樣一個(gè)粒子，因?yàn)檎也坏絽⒄瘴飦?lái)定義參考系，我們又怎么能確定它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)呢?由此可見(jiàn)，慣性定律是不能直接用實(shí)驗(yàn)來(lái)嚴(yán)格驗(yàn)證的，它只是理想化抽象思維的產(chǎn)物。

圖5 沿斜面運(yùn)動(dòng)物體受力分析

四、有限時(shí)空中的慣性狀態(tài)——力的平衡

如果有一個(gè)粒子距離其它粒子非常遠(yuǎn)，粒子間的相互作用力可以忽略，或者是其它粒子對(duì)它的作用力可以相互抵消，我們就可以把這個(gè)粒子看成是自由的。問(wèn)題是，這種情況我們?nèi)绾尾拍茏龅玫侥兀?/p>

但如果這個(gè)粒子可以在小范圍的時(shí)空內(nèi)，受到兩個(gè)或者幾個(gè)力的合力為零，就可以在小范圍的時(shí)空內(nèi)顯示慣性狀態(tài)，保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，我們把這種合外力為零的狀態(tài)稱作力平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，從力學(xué)分析的角度來(lái)說(shuō)，粒子所受到的合外力為零。從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度來(lái)說(shuō)，它的速度為零或者為勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖6 常見(jiàn)的幾種力平衡狀態(tài)

五、什么是慣性系

為了克服上面混亂的說(shuō)法，我這里給出慣性系的定義，即選擇的參考系滿足牛頓第一定律或適用牛頓運(yùn)動(dòng)定律（在相對(duì)論中，修正為麥克斯韋方程組和相對(duì)論力學(xué)在其中成立），這樣的參考系稱為慣性系。（這是我擅自給慣性系下的定義，有點(diǎn)自大了，各位小伙伴們勿怪啊。你們當(dāng)它只是我的個(gè)人理解就好，僅供參考）

慣性定律保證了慣性系一定存在，然而真正的慣性系在哪呢？牛頓給出了一個(gè)原則性的標(biāo)準(zhǔn)，他認(rèn)為存在著絕對(duì)的時(shí)間和空間，這就是我們需要的一個(gè)最基本的慣性系。然而在科學(xué)的歷史上，眾多科學(xué)家曾經(jīng)嘗試尋找這樣的“絕對(duì)時(shí)空”，結(jié)果是都失敗了，“絕對(duì)時(shí)空”并不存在。關(guān)于這個(gè)話題，我們留到今后探討相對(duì)論的時(shí)候再談。

圖7 一枚硬幣立在勻速直線運(yùn)動(dòng)的高鐵列車內(nèi)

六、介紹幾種實(shí)用的慣性系

1、地球。可以說(shuō)地球是我們最常用的慣性系，因此有人稱它為基本參考系。當(dāng)年的伽利略和牛頓都是在地球上發(fā)現(xiàn)慣性定律的。由于，我們地球在繞日公轉(zhuǎn)的同時(shí)，也在自轉(zhuǎn)，所以我們的地球并不是一個(gè)真正的慣性系，但是，對(duì)于大多數(shù)精度要求不高的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)精度是可以接受的。

2、太陽(yáng)。以太陽(yáng)為參照物的慣性系就是說(shuō)，以太陽(yáng)為原點(diǎn)，以太陽(yáng)與其它恒星的連線為坐標(biāo)軸的參考系。這個(gè)參考系是比地球參考系更好的實(shí)用慣性系。這是因?yàn)?，距離太陽(yáng)最近的其它恒星也在4光年以外。所以說(shuō)，太陽(yáng)參考系比地球參考系更好。不過(guò)，太陽(yáng)參考系與慣性系相比也是有偏差的。這是因?yàn)椋?yáng)受到銀河系整個(gè)分布質(zhì)量的作用，與銀河系內(nèi)其它星體一起繞銀心轉(zhuǎn)動(dòng)。使用太陽(yáng)參考系的時(shí)候，如果觀察其它恒星運(yùn)動(dòng)，這個(gè)偏差就會(huì)顯示出來(lái)。

圖8 太陽(yáng)系

3、FK4系。根據(jù)1961年國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)決議，目前采用1963年發(fā)表的第四基本星表 (FK4)的星位和自行的基本系統(tǒng)作為實(shí)際使用的慣性參考系。這個(gè)星表包括 1,535顆均勻分布在天空的目視星等亮于 7.5等的恒星。它是以赤道面和春分點(diǎn)作為慣性參考系的參考面和參考點(diǎn)的。這種參考系的制定將不得不以一個(gè)復(fù)雜的太陽(yáng)系模型或者地球模型作為依據(jù)，會(huì)受到地球、太陽(yáng)系以至于銀河系運(yùn)動(dòng)的影響。上述基本星表系統(tǒng)實(shí)際上只是慣性參考系的一種近似。

4、射電系。具體叫什么名稱我也不知道，只好先這么稱呼了。這種方案是比FK4系更好的慣性系。它是利用一系列射電源作為基準(zhǔn)，由于射電源是目前觀測(cè)到的最遠(yuǎn)的天體系統(tǒng)，所以射電源為基準(zhǔn)可以涉及更大范圍。如果一個(gè)物體相對(duì)于宇宙的背景輻射靜止，那么它將看到從不同方向射來(lái)的背景輻射強(qiáng)度都相同，即所謂的各向同性。我們就可以定義這種相對(duì)背景輻射為靜止的體系為慣性系的基準(zhǔn)，這是研究宇宙問(wèn)題時(shí)，最方便的一種慣性系。

圖9 銀河系

全文總結(jié)

我們從前面的分析可以得知，從慣性定律出發(fā)的定義的慣性系只是我們理想中的參照系，并不是客觀存在的。然而它的定義很重要，是我們研究各種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。雖然我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中找不到真正的慣性系，但是總可以在精度要求允許的范圍內(nèi)，找到合適的參考系，運(yùn)用數(shù)學(xué)工具對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，這并不會(huì)對(duì)我們的結(jié)果造成非常大的影響。

限于篇幅，本文沒(méi)有對(duì)非慣性系進(jìn)行介紹和探討，以后有機(jī)會(huì)我會(huì)在其它的文章里另行介紹。希望看完本文的小伙伴，能夠?qū)T性系的理解能有一些幫助。水平有限，可能會(huì)有遺漏或者是沒(méi)說(shuō)清楚的地方，還請(qǐng)大家原諒。