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里面的人将继续朝前冲的力,并不被认为是物体运动本身表现出来的惯性特征,而是把它们解释为在空间存在着相应的虚构引力场所导致的结果。如果允许按照这样的思想来进行理解,亚里士多得在2000年前提出的古典力学定律〃凡是运动着的物体必须受到力的推动〃,也就可以通过虚构引力场的方式来作出〃符合现代物理学理念〃的解释了。
伽利略根据运动不灭的哲学思想推导出地球水平面上的惯性定律后,牛顿在伽利略的基础上把惯性定律推广到了太空范围之中去应用。爱因斯坦发现牛顿力学可以在背景为均匀引力场的局部空间中同样成立,但他在把物体间具有的万有引力改述成物体所处空间具有某种可以对物体的运动状态产生作用的弯曲时空特性后,无论是爱因斯坦本人还是其他研究者,都始终说不出空间为什么能对物体的运动状态产生作用的机理。
位于均匀引力场中的参照系是惯性系,这在系统运动力学中已经给出了如何确定它的具体方法和应用要点。而位于非均匀引力场中的参照系是惯性系,要求被考察的物体体积必须足够小。它其实就是引入微分空间概念后;对处于微分空间中的高阶无穷小质点所作的运动力学分析。广义相对论想要解决的问题都已经被系统运动力学解决。在系统运动力学中,所有的力都是实在的力,并没有把万有引力从5大基本力中单独分出来解释成时空对物体产生的作用。从结果上来看,广义相对论似乎与系统运动力学同工异曲。其实不然,系统运动力学是按照经典的物理概念以更加全面的思路进行分析,人们可以根据它进行可靠的运用。而广义相对论为了达到也能解释相对运动现象的目的,不惜把物理学的基本概念搞混乱。
考察地球表面上的静止物体A,在牛顿理论中,A受到了地球引力和地表对它的弹力,A相对于地球静止。而在广义相对论中,引力不是真实的作用力,于是A只受到地表对它的弹力。A在这个弹力的不断作用下,相对于自由落体参照系一直在进行加速运动。那个与A相对静止的地球表面参照系就是一个相对于自由落体参照系加速的参照系,其内部具有一个相对于自由落体参照系的惯性力。这个惯性力在地球表面加速参照系内,无论从作用力大小和方向来看,都和牛顿重力的大小和方向完全一样,这个惯性力被称为广义相对论重力。于是得出推论,引力和惯性力在本质上是同一种力,两者的差别只是名词不同。引力在广义相对论中是虚构的力,既然引力和惯性力都是不存在施力者的力,似乎也可以把惯性力看成引力。地球的存在只决定在其周围空间内自由落体是什么样的形式,它没有对周围物体施加任何作用力。至于地球如何决定周围空间自由落体的形式,广义相对论并没有作出回答,人们只能借助等效原理的启发,把相对于地球静止的参照系看成是一个加速参照系。然而,如果没有真实的万有引力,假定各个物体都是用胶水粘起来的,地表面的物体还能对地面产生压力吗?地面又怎会以弹力形式去支撑它们呢?说静止在地球表面上的物体A在地面的弹力作用下相对于自由落体参照系一直在进行加速运动,由于A对地球的作用力方向与地球对A的作用力方向相反,也就不能是A对地球的作用力使地球相对于自由落体参照系进行加速,地球相对于自由落体参照系进行的加速运动只能是自身惯性力所导致。由于A又是地球的构成部分,于是A相对于自由落体参照系在加速乃是自身惯性力所导致。既然是自身惯性力导致静止在地球表面上的物体相对于自由落体参照系在加速,静止在地球表面上的物体对地面也就没有可以测量到的压力,同时也没有受到地面对它的弹力作用,这显然与事实不符合。
鉴于每一个物体都在对外界产生万有引力场,真实的万有引力乃是对产生该万有引力的物体之外的其它物体都有作用,而与惯性力等效出来的虚构加速场只对运动状态发生改变的物体有作用。仅凭这一特点,人们就能够判断出那一个是真实的万有引力。除非物质世界只存在万有引力一种基本力,人们才无法分辨真实的万有引力场与虚构的加速场。
说自由下落的升降机是一个在时间上和空间上都有限的惯性参照系,这只针对处于升降机中的物体而言。如果升降机中的物体很大,其质量与升降机相比不可以忽略时,建立在升降机上的参照系并不是有效的惯性参照系。人们用拉簧把两只大小相差不大的铁球连接起来,先用一根线将它们竖直吊起来固定在很高的塔上,把下面一只球往下拉开一段距离后放手,下面的球就开始进行上下振动。此时用火将线烧断,两只铁球与连在中间的拉簧将一起下落。两只铁球与连在中间的拉簧都没有在做纯粹的自由下落运动,只有它们三者共同构成的系统质心所留下的运动轨迹,才是在做纯粹的自由下落运动。而两只铁球与连在中间的拉簧之间进行的相互作用只是相对于它们三者共同构成的系统质心参照系观测出来的相对运动,才遵守牛顿定律所描述的运动规律。
在澄清这些要点后,再来考察静止在地球表面的物体A 与地球表面附近空间自由下落的物体B构成的物体系统时,人们会发现系统外的物体地球对系统内的物体所产生的作用不仅有一个表现为均匀引力场,还有一个是对静止在地球表面的物体产生的弹力。这表明由静止在地球表面的物体与地球表面附近空间自由下落的物体构成的物体系统不是完整物体系统。即便假设A物体比B物体的质量要小得很多很多,从而使A物体与B物体共同构成的系统质心参照系等同于建立在B物体上的自由下落参照系,它对于A物体来说也不是有效的惯性参照系。必须将地球也纳入进来,由地球、静止在地球表面的物体与地球表面附近空间自由下落的物体共同构成被考察物体系统,系统外的物体对该物体系统中诸物体的作用才完全表现为均匀引力场,建立在该物体系统质心上的参照系才对它们三者是有效的惯性参照系。
人们只要分辨清楚系统内物体的相互作用与系统外物体对该系统内物体的作用表现,经典牛顿力学并不存在爱因斯坦所误解的问题。当人们考察的对象是由地球与地球表面的某个指定物体所够成的物体系统时,地球与指定的物体构成系统内物体,而其它的物体别管它离系统内物体有多远,它们都是系统之外的物体。只要被考察物体系统外的物体对系统内物体的作用表现为均匀引力场,或是系统外的物体对系统内物体的作用与系统内物体之间进行的相互作用比较,其大小可以忽略不计时,系统外的物体就不对被考察物体系统中物体间的相对运动所遵守的力学定律有任何影响。在此状况下,建立在被考察物体系统质心上的参照系对被考察物体来说是有效的惯性参照系,人们进行的分析都对应的是被考察物质之间真实发生的相互作用。
在原理上,最根本的惯性系是与绝对空间相联系的参照系,实际使用的惯性参照系都是根据运动叠加原理从它传递出来的与考察对象相关的系统质心参照系。惯性力是物体对自身运动状态发生改变的一种抵抗,是物体自身的固有属性。如果不分清被考察物体系统内的物体进行的相互作用与考察物体系统外的物体对考察物体系统内的物体作用之区别,根据运动叠加原理传递出来的实用惯性参照系,就会被不加限制的思路给弄混乱。
在旧的牛顿力学之中,惯性概念很原始,不受外力作用的物体处于惯性运动状态。其实,受到外力作用的物体并没有失去运动不灭的惯性特征,它是以反抗自身运动状态被改变的具有一定数值的惯性力来体现。在对被考察物体有效的惯性参照系中,它是以牛顿第二定律的数学形式反映出来。牛顿第一定律只是牛顿第二定律的特殊情况,只把牛顿第一定律作为惯性的定义,显然没有全面地反映出运动不灭的惯性特征。所以,把惯性运动等同为最简单的匀速直线运动乃是狭义的惯性概念,在物体的运动状态被改变之时反映出来的惯性力才是广义的惯性概念。惯性参照系只是使物质运动不灭的惯性特征能够从叠有背景运动的综合运动中分离出来,单独呈现的一个物理学分析工具。在背景运动中,物体的运动同样遵守牛顿定律。但在人们确定不出背景运动的确切受力状况时,也就不能进行相应的数学分析。
查阅爱因斯坦发表的〃广义相对论基础〃的论文,所看到的几乎都是如何使用张量来进行协变的内容。显然,无论是用张量进行的协变,还是用〃矩阵〃、〃群论〃等数学工具来作出的协变研究,只要没有违反数学运算规则,它们在数学上都没有问题。总起来说,广义相对论中的协变研究告诉人们,只要把时间量作为空间位置量来对待,按照空间不变性的要求在四维时空坐标系中进行变换,几乎所有的运动方程都可以保持相同的数学表达形式 。于是,人们原先在实践中研究发现的运动方程就可以适用于包含惯性参照系在内的任何参照系。然而,在进行相对运动的观察过程之中,时间是对被考察物体的运动状况进行比较的〃标准参照运动〃,它不允许受到被考察对象的运动所影响,否则人们将不能得出准确的判断结果。通过改换运动比较标准的参照运动,既可使变速运动反映为匀速运动,也可使匀速运动反映为变速运动。若要使其运动方程在改换运动比较标准的参照运动后保持着相同的数学表达形式,还必须要求确定空间位置的坐标系计量单位与运动比较标准的参照运动一道进行关联改变。同一个数学变换公式,只要赋予它不同的物理意义,根据它推导出来的结论就会完全不一样。按照质点在自然界中呈现的