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[交流]
【交流】新牛顿宇宙 第一章 宇宙学基础 1.5各种近似惯性系
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新牛顿宇宙 第一章 宇宙学基础 1.5各种近似惯性系 在‘1.4 惯性系疑难问题’讨论中，我提到静止惯性参考系是可以通过对微波背景辐射的观测来建立。不过这种办法只有理论上的意义，只对大尺度的宇宙结构的研究讨论有实用价值，在其它天文观测研究和日常生活中，我们不一定需要使用这样精确的静止惯性参考系。在不同情况下，我们可以选择不同级别的近似惯性参考系。例如，在日常生活中，地面就可以作为一个近似的惯性参考系。在近地卫星的发射过程中，我们可以选择地心参考系作为一个近似的惯性参考系。如果我们要发射火星探测器，我们就需要选择日心参考系作为一个近似的惯性参考系。如果我们要研究银河系的结构和运动，我们就可以选择银心参考系作为一个近似的惯性参考系。这实际上和我在‘1.2宇宙学方程的解’中我列举那些具体天体运动的求解问题一样，它们实际上大都可以通过‘二体相互作用’的近似选择到不同的近似惯性参考系。 爱因斯坦为了追求理论上的完美，力图要在理论上解决‘惯性系疑难问题’。为此爱因斯坦提出了他的第四假设，即自然法则在所有的参考系中都是相同的。这个假设常被称作“广义相对论原理”。根据爱因斯坦和 Leopold Infeld所著的L'évolution des idées en Physique，为了说明这个原理，书中杜撰了‘死亡电梯’这样一个例子： ‘让我们假想一个在摩天大楼内部自由下落的电梯，里面有一个蠢人。这人让他的表和手绢同时落下。会发生什么呢？对于一个电梯外以地球为参照系的人来说，表、手绢、人和电梯正以完全一致的速度下落。（让我们复习一下：依据等同性原理，引力场中物体的运动不依赖于它的质量。）所以表和地板，手绢和地板，人和表，人和手绢的距离固定不变。因此对于电梯里的人而言，表和手绢将呆在他刚才扔它们的地方。如果这人给他的手表或他的手绢一个特定的速度，它们将以恒定的速度沿直线运动。电梯表现得像一个伽利略系。然而，这不会永远持续下去。迟早电梯都会撞碎，电梯外的观察者将去参加一个意外事故的葬礼’。 在爱因斯坦杜撰的‘死亡电梯’这个例子中，爱因斯坦要说明的问题是在自由下落的‘死亡电梯’中，‘死亡电梯’可以看成是一个‘惯性参考系’（有些人对我这个看法可能有不同意见，这些意见我以后再讨论）。在这个‘惯性参考系’中，牛顿定律完全成立。爱因斯坦这样做的目的是要说明，即使存在万有引力，利用“广义相对论原理”，是可以建立起‘惯性参考系’。‘死亡电梯’就是这样一个‘惯性参考系’。在‘死亡电梯’这个‘惯性参考系’中，只是地球引力已经被惯性力所抵消，不会对这个‘惯性参考系’中的物体产生作用。其它物体之间的万有引力依然存在。例如，如果我们把可以测量万有引力常数的‘卡文迪许扭秤’放到爱因斯坦的‘死亡电梯’中，爱因斯坦肯定能测量出万有引力常数。物体受到其它力的作用时，牛顿定律也完全成立。爱因斯坦之所以杜撰‘死亡电梯’这个例子，是因为爱因斯坦对牛顿力学中无法严格定义‘惯性参考系’不满意，想给‘惯性参考系’一个严格定义。自由下落的‘死亡电梯’就是为此而杜撰出来的‘惯性参考系’。可是，用‘死亡电梯’定义出来的‘惯性参考系’实际上只是一个很蹩脚的和近似的‘惯性参考系’，它只可能在一个很小的区域和很短的时间内有效。 值得一提的是，在百度知道网站上，林祥格先生在‘介绍一下爱因斯坦关于时间倒流的学说定理’一文中提到，‘伽利略为了解释行星运动，曾认为匀速圆周运动才是惯性运动，匀速直线运动总会闭合为一个圆。这样提出是为了解释行星运动。他自然被牛顿力学批的体无完肤，然而相对论又将它复活了，行星做的的确是惯性运动，只是不是标准的匀速圆周而已’。 对伽利略是否有过这个说法我没有进行过考证。假设伽利略确实有过这个想法，虽然它和牛顿力学有矛盾，但我认为伽利略的这个想法却和爱因斯坦的‘死亡电梯’有‘异曲同工’之处。作为一个近似的‘惯性参考系’，它要比爱因斯坦用‘死亡电梯’定义出来的近似‘惯性参考系’好得多。行星绕太阳的公转运动，实际上和作自由落体运动的‘死亡电梯’是一样的。只是地球对作自由落体运动的‘死亡电梯’的引力是被自由落体运动的加速度所产生的惯性力所抵消，而行星绕太阳公转运动也产生惯性力，这个惯性力的主体部分通常被称为离心力，它同样可以和太阳对行星的引力相抵消，形成行星附近区域中和行星一起绕太阳公转的物体近似地‘不受太阳引力’的环境。因此我们可以把这个行星所处的附近一个小区域和‘死亡电梯’一样，近似地看成是‘惯性参考系’。它不像用‘死亡电梯’定义出来的‘惯性参考系’，‘死亡电梯’的‘惯性参考系’即使可以实现，也只能存在一个很短时间。而用行星绕太阳公转运动定义出来的‘惯性参考系’，则是现实中可以长期存在的近似‘惯性参考系’。我们之所以能够在日常生活中把地球看成是一个近似‘惯性参考系’，不考虑太阳引力对我们日常生活的影响，其物理基础就在于此。因为太阳对地球及其附近物体的引力已被地球及其附近物体绕太阳公转所产生的惯性力所抵消，形成一个近似‘惯性参考系’。但地球对它附近物体之间的万有引力依然存在，这就是物体的重力。人造卫星绕地球运动，人造卫星内物体所受的离心力和地球引力相抵消，形成人造卫星内所有物体不受地球引力作用的环境，这样人造卫星也可以看成是一个近似的‘惯性参考系’。在人造卫星中宇航员和其它物品是感觉不到地球对他们的引力作用而处于失重状态。这也是为什么在翟志刚在走出宇航舱时要用一根绳子把自己和宇航舱联结在一起。否则，只要他一不小心轻轻碰一下宇航舱，牛顿定律将会把他送到宇宙空间中他不想去的其它地方，从而没有办法再回到宇航舱中来。 绕一个中心旋转的物体可以产生离心力这个特性是大家都知道的。它不但可以和引力相互抵消，还可以产生‘斥力’的效果。例如，在建造空间站时，为了克服失重状态对长期工作生活在空间站宇航员带来的不便，科学家曾设想让空间站旋转起来，利用旋转运动产生的‘离心力’起到‘人造重力’的效果，以方便空间站中的宇航员的生活和工作。由此可见，在‘宇宙学方程’中，宇宙学常数是和物体绕一个中心旋转产生的离心力联系在一起。离心力可以起到‘斥力’的作用，完全不需要引进什么‘暗能量’这个概念。 参考文献 10 林祥格 介绍一下爱因斯坦关于时间倒流的学说定理 地址：http://zhidao.baidu.com/question/134043200.html?si=1 |
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