浅谈惯性与相对论的内在联系

浅谈惯性与相对论的内在联系

沈国浩汤庆国

沈国浩汤庆国

（蚌埠学院数学与物理系，安徽蚌埠233000）

摘要：本文围绕绝对惯性系是否存在的问题简单介绍了惯性与相对论之间的内在联系。从惯性定律和惯性系中引入绝对空间，在此基础上产生的马赫原理成为了爱因斯坦“相对论”发展的先驱。

关键词：惯性；绝对空间；马赫原理；相对论

惯性是经典力学中的一个基本概念，同时它又是人们日常生活中的一个基础性观念，并且惯性问题也是经常被物理学界讨论的一个话题。相对论是牛顿力学（经典力学）进化与扩展方面的理论。表面看来两者并没有太多的联系，然而围绕绝对惯性系是否存在的问题来看，两者之间的关联不可忽视。

一、惯性的本质

惯性是物体的固有属性，惯性是物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质。惯性是否是物体的性质，依据牛顿第一运动定律，任何物体均具有惯性。因而，看来惯性不是被研究物体的性质，因为这一性质是一切物体所具有的，也就是说它与物体的个别特征无关。因而，惯性只能是存在的一个特征，是被研究对象周围的环境在此对象上的表现。换一句话说，它是存在于物体周围的一种条件，一种约束。

二、惯性系与惯性定律

首先，惯性系就是惯性定律成立的参考系，在这个参考系中一个不受外力作用的物体总是处于静止或匀速直线运动状态。那么不受外力作用又是什么意思呢？这就是说，在惯性系中处于静止或匀速直线运动状态的物体是不受外力作用的。

其次，在实践中，地球是一个相当好的近似的惯性系。许多力学现象都可以把地球看作惯性系，但是太阳及其邻近的恒星组成的参考系是比地球更好的惯性系。进一步的研究表明，太阳是银河系中的一颗普通恒星，它同其他银河系的恒星一起绕银心旋转，作变速运动，因而太阳参考系也不是严格的惯性系。根据这种经验，我们可以取更大的天体系统的平均静止参考系以趋近严格的惯性系。看来我们可以不断地趋近惯性系，但却不能找到严格的惯性系。

三、绝对空间

牛顿的力学理论如同建立在沙滩上的建筑物。牛顿深知他的力学理论中的这一脆弱的根基。他提出的解决办法是引入绝对空间，这样就可以在绝对空间里区别物体是处于静止、匀速运动还是变速运动，从而也就能够确定惯性系和非惯性系。牛顿的绝对空间和绝对运动虽然被大多数人所接受，但是也受到他同时代人的批评，其中著名的有莱布尼兹和贝克莱，然而他们都未能提出任何观念，发展一种新的动力学理论来替代牛顿理论。

四、马赫原理

对牛顿绝对空间的第一个建设性批评来自两百年后奥地

利的物理学家和哲学家马赫。马赫在他1883年出版的《力学史评》一书中对牛顿的绝对空间和绝对运动作了深刻的批评。马赫的观点是，物体的运动不是绝对空间中的绝对运动，而是相对于宇宙中其他物质的相对运动，因而不仅速度是相对的，加速度也是相对的；在非惯性系中物体所受的惯性力不是“虚拟的”，而是一种引力的表现，是宇宙中其他物质对该物体的总作用；物体的惯性不是物体自身的属性，而是宇宙中其他物质作用的结果。马赫的精辟见解被爱因斯坦取名为马赫原理。马赫独树一帜的思想深刻地揭示了牛顿力学理论根基上的纰漏，同时也指出了改造牛顿力学理论的契机，这就是放弃绝对空间和绝对运动，把物体的惯性与宇宙中所有其他物质对它的作用联系起来。

五、相对论

马赫的功绩是看到了牛顿力学体系中有一个缺陷，就是物体的运动状态依参考系的不同而有所不同，于是，作为判断牛顿惯性运动的前提也就成为不确定的了（相对性）。不得已，马赫把现象世界的远处的恒星当作其绝对参考系了。马赫的错误就是把牛顿惯性定律中的物体的属性（保持性）与其运动状态问题混在一起了。爱因斯坦受马赫哲学的启发，发现了等效原理，但同时又继承了马赫的错误。马赫的思想对于爱因斯坦无疑是一个重要的启发。由于相对论效应，运动物体的长度会变短，运动物体的时间会膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题，运动速度都是很低的（与光速相比），看不出相对论效应，这实在是爱因斯坦独具慧眼、超群绝伦的伟大贡献。

围绕绝对惯性系是否存在的问题，去分析惯性、惯性定律和惯性系、绝对空间、马赫原理及最终的广义相对论之间一步步的内在联系可以看出，每一个正确科学理论的提出在时代的背景下都有其伟大的成功之处，对科学的发展、社会生产力的进步有着巨大的推动作用，但也不可避免的存在着时代局限性。所以，科学理论要被不断的验证、实践，而后来者又通过艰苦的努力、探索，从而使理论得到不断的发展和完善。从中，人们体验到了科学理论发展过程中科学家们所付出的艰辛，这样有助于人们形成正确的科学态度、科学精神和情感价值观，从而推动现代科学的发展及人类文明的进步。

参考文献：

[1]梁昆淼.力学，上册（修订版）[M].北京：高等教学出版社，1978．

[2]中国大百科全书.物理学Ⅱ[M].北京：中国大百科全书出版社，1987．

[3]吴国盛.时间的观念[M].北京：中国社会科学出版社，1996．