《用相对源观对解析惯性力和等效原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《用相对源观对解析惯性力和等效原理（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、用“相对源观对”解析“惯性力”和等效原理汤克云中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院国家天文台摘要爱因斯坦强等效原理认为，“惯性力”场与引力场对一切物理效应等效。什么是“惯性力”，源起何处？牛顿、马赫和爱因斯坦各有看法，这是一个悬而未决的基础物理学难题。我们用“相对源观对”取代了无法定义的“惯性系”，重新表述了经典物理定律，发现“惯性力”的本质是物理源与观测者之间的相对加速度(RAOSO)。本文将物体的质量（所含物质的量）定义为物体的第一内禀特性，与物体的运动状态及受力状态无关，则自然只存在一种质量。如果引力是物理源和观测者之间的唯一作用力，则源观相对加速度RAOSO等于引力加速度；当我们考
2、虑“一切物理效应”，引力不再是物理源和观测者之间的唯一作用力，则源观相对加速度RAOSO不再等于引力加速度，强等效原理不能成立。在牛顿水桶实验中，是人力让水在短时间内转动起来，产生了源（水）观（地球）相对加速度即所谓的“惯性力”。在这短时间内，地球和遥远天体的引力并无显著变化，即使遥远天体的引力发生了显著变化，也不可能在短时间内传递至水桶。所以，水的“惯性力”与地球的引力无关，更与遥远天体对水的引力无关。关键词：惯性系，惯性力，等效原理，相对源观对，源观相对加速度，牛顿水桶实验，马赫原理An analysis on inertial force and the equivalence prin
3、ciple by the relative pair of source and observerKeyun TangInstitute of geology and geophysics, Chinese academy of sciencesNational astronomical observatory, Chinese academy of sciencesAbstractEinsteins strong equivalence principle believes that the inertial field and gravitational field are equival
4、ent to all physical effects. What is the inertial force, where is its origin? Newton, Mach and Einstein all have different points of view; this is a difficult and unsolved problem in basic physics. We have replaced the concept of inertial system by relative pair of physical source and observer (RPOS
5、O), and re-described the laws of classical physics, found that the nature of inertial force is the relative acceleration between the physical source and the observer (RABSO).This paper defines the mass as the first intrinsic characteristics of the object, which had nothing to do with its motion stat
6、e, and there naturally is only one kind of mass concept. If gravity is the only force between physical source and observer, the relative acceleration between source and observer (RABSO) should be equal to the gravitational acceleration. If we consider all physical effects, it means that gravity is n
7、o longer the only acting force between the source and the observer, RABSO is not equal to the gravitational acceleration, and, of course, the strong equivalence principle cannot be established. In the experiment of Newton bucket, it is that human power makes water to revolve in a short time, and to
8、produce a relative acceleration between physical source (the water) and observer (the Earth). Therefore, waters inertia has nothing to do with the Earths gravity, more has nothing to do with the gravity from distant celestial objects.Key words: inertial system, inertial force, the equivalence princi
9、ple, the relative pair of physical source and observer (RPOSO), relative acceleration between physical source and observer (RABSO), Newton bucket experiment, Machs principle.引言S. Weinberg 指出：物理学并不是一个已经完成的逻辑体系。相反，它每时每刻都存在着观念上的巨大混乱，有些观念像民间诗史那样，从往昔英雄时代流传下来；而另一些则是像空想小说那样，从我们对于将来会有伟大理论的向往中产生出来。（温伯格: 引力论和
10、宇宙论）我们认为， 无法定义的“惯性系”概念可能是物理学中最基础、影响最大的混乱。经典力学、经典电磁学包括狭义相对论都是在“惯性系”的逻辑基础上建立起来的；甚至于，爱因斯坦为了摆脱狭义相对论中“惯性系”无法定义的困难而建立起来的广义相对论也未能彻底摆脱“惯性系”-为了弥补史瓦西度规的径向坐标一般没有测量意义的困难，爱因斯坦不得已提出了“局域惯性系”的概念，但它仍然是一种无法定义的“惯性系”。此外，由“惯性系”概念衍生而来的“惯性力”以及“等效原理”也造成了巨大的逻辑混乱。1. “惯性力”是如何在“惯性系”概念的基础上引入的在经典力学中， 在两个“惯性系”之间没有“惯性力”。 先在两个“惯性系”
11、（例如大地）和（例如匀直运动的列车）中考察质点的加速运动。 记质点的质量为 在中的加速度分别为，所受作用力分别为， 牛顿第二定律可分别写成 （1）和 （1- a）由于两个“惯性系”之间的相对加速度为零，则质点在两个“惯性系”的加速度相同，即.代入（1-a），得这就是说，在两个“惯性系”中，质点的加速度相同，所受作用力也相同，即力学规律不可区分！（不但是形式相同，而且是规律相同！） 在一个“惯性系”和一个“非惯性系”之间出现了“惯性力”。当上述两个“惯性系”中的一个（如火车）开始加速，相对于大地的加速度为，再来考察质点对于大地的运动。仍记质点的质量为 它在中的加速度分别为，所受作用力分别为，此时
12、有 （2）其中，被称为绝对加速度，被称为牵连加速度，被称为相对加速度。在中，牛顿运动定律可分别写成 （3）和 （4）这就是说，在“惯性系”和“加速系”中，质点的运动规律不再相同。如果记（5a）和 (5b)则质点的运动定律可写成 （6）这就是说，从形式上看，质点在“加速系”中的运动定律（6）与在“惯性系”中的运动定律（3）相同，都满足牛顿第二定律。经典物理中将其中的虚拟力称之为“惯性力”。（注意，（6）式告诉我们：牛顿第二定律实质上只是给出了在任意参考系中力的定义-与相对于该参考系的加速度成正比，比例系数就是质量； 类似地，引力定律给出了引力的定义，比例系数也是质量；鉴于绝对重力仪也是根据运动定
13、律 来确定引力的，即引力加速度与一般的加速度没有本质的区别，则引力公式中的质量与运动定律中的质量也应当没有本质的区别。）2. “惯性力”概念带来的主要困惑 在定义“惯性力”时用到了“惯性系”的概念， 但“惯性系”无法定义；真实力都是真实物体相互作用的结果，但虚拟的“惯性力”与相互作用无关； “惯性力”的源是什么？如何解释牛顿水桶实验？牛顿、马赫和爱因斯坦都有根本不同的见解。牛顿认为，桶中水的“惯性力”产生于水对于绝对参考系的转动；马赫认为，水的“惯性力”产生于水相对于遥远星系的加速运动产生的引力。 如果认为在爱因斯坦升降机的质心处的“惯性力”与引力互相抵消，成为“惯性系”，则产生引力的天体如地
14、球、太阳反而不是“惯性系”了，与经典物理的观念明显矛盾，无法解释。3. 用“相对源观对”取代“惯性系”，重新表述经典物理定律经典电磁学，经典力学，包括狭义相对论都是在无法定义“惯性系”的基础上建立起来的, 这是一个根本性的逻辑困难。用“相对源观对”取代“惯性系”，可以避免这一逻辑困难。在“相对源观对”中，没有绝对静止，只有物理源与观测者之间的相对静止；没有绝对参考系，参考系之间的关系都是相对的；没有绝对匀速运动，只须研究物理源与观测者之间的相对匀速运动；绝对加速度不可测量，可测量的是物理源与观测者之间的相对加速度。可能有人会有疑问：既然“惯性系”无法定义或根本不存在，为什么基于“惯性系”的理论
15、与观测符合得很好呢？这是由于：根据“相对源观对”的概念，建立在所谓“惯性系”基础上的物理规律的实质是当物理源相对于观测者静止（或相对于观测者作匀速直线运动）时，观测者所观测到的物理规律！“相对源观对”是合乎逻辑的，与观测符合自然合理。根据“相对源观对”的概念，牛顿运动定律不再是建立在单独的绝对“惯性系”的基础上，不是描述物理源在“惯性系”中的绝对运动规律，而是描述物理源与观测者之间的相对运动规律。在牛顿第二定律 （1）中，加速度不再是“惯性系”中的加速度，而只是相对于“观测者”的加速度。 由此可以看出，牛顿第二定律是力的定义！为了给力下一个清楚的定义，必须先选择质量的定义，愈简单愈好。可认为物体的质量是其第一内禀特征，取决于所含分子、原子和基本粒子的种类和数量，是物体的基本特征，与物体的运动状态无关，与物体的受力方式无关，即只有一种质量，在引力公式中出现的质量或是在运动定律中出现的质量是同一个概念，无所谓引力质量或惯性质量。运动对物体规律的影响可另行考虑，比如，归算到对物体能量的影响。4. 用“相对源观对”解析“惯性力”现在用“相对源观对”的观点重新
