【原】​惯性定律与惯性系

惯性定律说：物体在不受外界影响的条件下将保持其原有的运动状态。惯性定律在其中成立的参照系被称为惯性参照系，这是一个没有加速度的参照系。

公元前约 300 年，亚里士多德对地面上的物体的运动有过这样一个论断：物体在水平方向上的运动必定要有推动作用才能够维持下去，这是由物体在水平方向上的静止本性带来的。公元1600年前后，伽利略在实验和观察的基础上推翻了这个论断。

伽利略注意到，当一个小球沿着斜面往下滚动时，速率会不断地增加，同样这个小球在往上滚动时，速率则会不断地减小。由此可以推断，如果这个小球沿着水平方向滚动，其速率应该不会发生改变。

当然，在现实生活中，我们确实会看到，沿着水平方向滚动的小球会变得越来越慢，最终总会停下来。但是，伽利略认为，这并不是小球的本性使然，一定有某种外在的因素阻碍了小球的运动。

伽利略还注意到，当小球在水平方向运动时，在同样的初始条件下，表面越光滑，小球就会滚得越远。因此，小球最终停下来，一定是由于表面对小球的阻碍作用。表面越光滑，小球所受到的阻碍作用就越小。今天我们都知道，这种阻碍作用就是小球与表面之间的摩擦力。通过这个现象，伽利略进一步推断，如果没有摩擦力，小球将会永远运动下去。

不久之后，牛顿将伽利略的这个发现总结成经典力学的一条最基本的定律：物体在不受外界影响的条件下将保持其原有的运动状态。这就是牛顿第一定律，又称为惯性定律。

在宇宙中，不受外界影响，严格地处于孤立状态的粒子是不存在的，因此，惯性定律不可能直接用实验严格地验证。

如果惯性定律是对的，就带来了一个问题。我们都有这样的经验，当我们坐在一辆在路面平稳地行驶的汽车上时，并没有什么特别的感觉。但是，当汽车突然刹车时，我们就会感到有一股力量把我们往前推，放在车地板上的小球会突然向前滚动。当然，我们知道是怎么回事。但是如果设想，这辆汽车是全封闭的，坐在车内的我们对外界一无所知，当然也不知道自己是坐在一辆往前行驶的汽车上。如果我们突然感到有一股力量把我们往前推，放在脚下的小球无缘无故地往前滚动，惯性定律不再有效了，该如何解释呢？

这个问题涉及到参照系的两个重要概念：惯性参照系和非惯性参照系，有时候又被简称为惯性系和非惯性系。当汽车匀速往前开的时候，这辆汽车是一个惯性参照系。在一个惯性参照系中，不受任何外界作用的人和小球都会保持原有的运动状态；当汽车突然刹车时，它就有了加速度，不再是一个惯性参照系，而是一个非惯性参照系。在一个非惯性参照系中，惯性定律不再成立。

由于惯性定律只在惯性参照系中成立，因此，我们也可以用惯性定律来定义惯性参照系，把惯性定律在其中成立的参照系称为惯性参照系。根据前面的经验，一个惯性参照系是一个没有加速度的参照系，是一个相对于另一个惯性参照系作匀速直线运动的参照系。更进一步说，所有惯性参照系相互做匀速直线运动。

如果你足够细心，你可能马上就会提出质疑：如果惯性参照系就是没有加速度的参照系，如果所有惯性参照系都相互做匀速直线运动，那么，一辆在地面上匀速前进的汽车怎么可能是一个惯性参照系呢？确实如此，你的质疑走对了方向！

我们知道，地球是一个半径大约为 6300 千米的球体，这个巨大的球体绕着自转轴每 24 小时自转一周，任何静止在地面上的物体都会随着地球的自转获得一个法向加速度。因此，大地并不是一个惯性参照系，在路面上匀速行驶的汽车自然也就不是一个惯性参照系了。不过，如果你尝试做一个计算，就会发现，地面上的物体由于参与地球的自转将获得一个大约为的加速度。这个加速度仅仅是重力加速度的约 3‰，在我们的日常工作的测量精度范围内，这个加速度完全可以被忽略。由此看来，大地可以被看作是一个近似程度很高的惯性参照系。

在一些研究中，大地可能不能被当作一个惯性参照系，在这种情况下，可以取地心参照系作为进一步的近似。即使如此，由于地球在环绕太阳的一个近似的圆轨道上公转，日地平均距离大约为 1.5 亿千米，地心参照系由此将获得的加速度。更进一步，可以取以太阳的中心为原点的日心参照系。天文学告诉我们，太阳带着它的家族绕着银河系的中心旋转，大约两亿年完成一个周期，太阳系距离银河系的中心大约为 25000 光年，由此可以得到日心参照系也将具有的加速度。

我们看到，严格地讲，宇宙中没有任何一个现实的参照系是精确的惯性参照系。但是，在实用上，许多参照系都可以被看作是相当好的近似惯性系。比如说，地面上的实验室参照系在许多情况下就是一个很好的惯性参照系。

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