惯性参考系与非惯性参考系

我们知道，任何物体的位置及变动，只有相对于事先选定的视为不动的物体而言才有明确的意义。

这种被选定的作为物体运动依据的物体称为“参考物”。与参考物固连的三维空间称为“参考空间”。参考空间和与之固连的钟的组合称为“参考系”。

但习惯上，常把参考物简称为参考系。

那么什么是惯性参考系呢？

牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中，把运动规律总结为三条我们熟知的牛顿运动定律。

第一定律的表述为: “每个物体继续保持其静止或沿一直线作等速运动的状态，除非有力加于其上迫使它改变这种状态。”(这里的第一定律为牛顿自己的表述)

那么问题来了，第一定律中所谓不受力作用的物体保持静止或作匀速直线运动，是相对什么参考系而言的？也就是说，第一定律在什么参考系中成立？

显然，第一定律不可能相对任何一个参考系都成立。比如两列并列同向行进的火车A和B，A相对地面作匀速直线运动，B相对地面作加速直线运动，那么A相对于B就不可能作匀速直线运动。

牛顿自己解释第一定律在“绝对空间”中成立，但脱离物质的绝对空间是没有意义的，至少是无法判定的。

而在承认第一定律正确的前提下，我们总能找到这样一个参考系满足第一定律。从这个意义上来说:

第一定律定义了惯性系。

尽管第一定律定义了惯性系，并断言了惯性系的存在，但实际的惯性系究竟在哪里？

如果我们能找到一个物体C，它不受任何其他物体的作用，那么若存在另一物体D，C相对D静止或作匀速直线运动，那么我们就可以说这个物体C是一个惯性参考系。显然，物体D也应该是一个远离其他物体的物体。

但完全不受其他物体作用的孤立物体(群)是不存在的，也就是说理想惯性系并不存在。

习惯上把某些星体(群)作为惯性系，但真正孤立的星体(群)是不存在的，所以这种惯性系只是近似的惯性系。

而非惯性系，即:

相对惯性系作非匀速直线运动的参考系。

严格来说，现实中的参考系都是非惯性系。比如相对加速行驶着的火车，或相对转动着的离心机的运动等等。

但在应用牛顿运动定律解决具体问题的时候，常视实际情况把地面等作为为惯性系，以便牛顿三定律能够成立。这种近似在研究某些精度要求不太高的问题时是合理的。

而且在非惯性系引入适当的“惯性力”之后，牛顿运动定律依然适用。

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地球是最常用的惯性系。但精确观察证明，地球并不是严格的惯性系。因为地球对太阳有0.0059 m/(s*s)的加速度，而地球自转造成的加速度则更大，达0.034 m/(s*s)。

日心系指以太阳为原点，以太阳与邻近恒星的连线为坐标轴的参考系。但日心系对银河系中心仍有很小的加速度，这在观察恒星运动时会显现出来。

为进一步提高惯性系的精度，还在寻找比日心系更好的惯性系，比如FK4系、以微波背景辐射为基准的参考系等。

马赫(E. Mach, 1838--1916)曾指出，所谓惯性系，其实是相对整个宇宙(或说整个物质分布)的平均加速度为零的参考系。由于宇宙的无限性，这样的理想惯性系只能逐步接近。

参考资料:

郑永令，贾起民《力学》(第三版)

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