关于参考系与惯性系，你明白了吗？

原文标题：《关于参考系与惯性系，你整明白了吗？》

关于参考系的定义，很简单，即：作为研究物体运动时所参照的物体。而对于什么惯性系，说起来也很简单：一个不受外界作用的物体，如果保持静止或匀速直线运动状态，那么它所在的参考系就是惯性系。

纯就定义来讲，看起来似乎有点过于简单。下面就读者关心的两个问题，再阐述一下。

第一个问题：能不能往参考系外面看？

简单的回答是：不能！

但这个问题本身的提法容易被误解。

有人会反问：被选择参考系的物体不一定是一个密闭的空间 -- 例如船舱，它也可以是空中飞过的一只鸟，从手枪中射出的一颗子弹，何来内外之分？

这么反问，说明没有理解参考系的定义。

参考系是一个物体的抽象，在数学上，它通过一个固定在物体上的坐标系来表示。确定了坐标系，意味着空间和时间的量度方式被定了下来：包括时间与空间的起点和间隔。

因此，当人们说"不往参考系外看"，他的真实意思应该是：你只能使用那个确定的时空坐标框架，不能超越该框架之外。换句话说，你的一切观察都必须是相对参照物来说的。

实际上，参考系并不限制你的观察范围。

恰恰相反，你可以基于参考系看任何东西。例如，以行驶的车为参考系，你当然可以观察车内外的任何东西。实际上，你既然选择了某个物体作为参考系，就要求你的任何观察都必须以它为参照物，仅此而已。

所以，当你选择船作为参照物时，你是可以透过窗户看任何东西，但你不能伸出头从外侧回看船本身，因为那样的话，它就不再是参照物，而是一个被研究的运动物体了。但你可以看窗外所有的东西，包括流动的后退的河岸，空中静止的鸟儿，这是你的自由。

最直白的例子就是你自己，你观察世界，大多数情况下，是以你自身为参考系的，这时候，你的双眼看的不都是你的身外之物吗？

所以，参考系选定了之后，"不能往外看"是指"不能超越参考系"，或"不能选多个参考系"，而不是指"不能往外面的空间看"。

实际上，把"不能往外看"错误的理解成"不能往外面的空间看"是有另外的原因的。这与人们对惯性系的错误理解有关。

我相信各位都知道什么是惯性系吧？前面提到过它的定义。狭义相对论认为，一切物理规律在所有的惯性系中都等价。如果还不太明白，可参看本公号之前的一篇文章"什么是惯性系？"。

假设你处在一个密闭的惯性参考系内，例如伽利略讲的那个"萨尔维阿迪"的大船。由于你看不见外面，你的确不会发现任何有关船的速度的信息。正是这个原因，为了确保"你不能从观察中获得任何有关所在惯性系的速度的信息"这句话的正确性，有人就习惯额外加上一句："只要你不往外看"。

但实际上，这是一种错误的理解，相对性原理认为：不存在任何特殊的惯性系！换句话说，不存在一个绝对不动的参考系。

因此，你不可能通过任何手段来获得你的惯性系的绝对速度。至于你通过观察外面来获得你所在的参考系的相对速度，那是当然可以的啊！

既然如此，没有必要限制一个人透过船舱的窗户看外面。他往外看，无非只是发现船原来在海上航行，但他始终无法知道船在宇宙中的绝对速度是多少。实际上，这个绝对速度是不存在的。

不过，如果密闭的物体本身有加速度，即使你也不往外看，但你可以感受到力的作用，所以你仍然能发现参考系运动的线索。

所以，通常所说的"参考系的内外"不是指"空间的内外"，而是指"是否超越一个参考系的限制"。选择了唯一确定的参考系之后，只要不将参照物当作研究对象，你的观察不受任何限制。

第二个问题：协变性是指什么都不变吗？如果有变化，该如何感知？

物理规律对所有的惯性系平权，这是物理学中的相对性原理。

相对性原理要求物理规律的形式不变，即所谓协变性。它的意思是指：物理规律涉及的所有物理量都协同的变化，以确保它们之间的关系保持不变。

例如，动能定理

当换不同的惯性参考系时，物体前后动能的变化和外力做功都不一样了，但它们必定保持与上述一致的关系。这就是动能定理的协变性。

所以，相对性原理并不要求你看到的东西不变！实际上，除了静止质量，电荷，光速等不变量之外，其他物理量在不同的惯性参考系中都会发生变化。

那么，这种变化能被参考系中的人看到吗？

不能！

例如，你从平稳行进的船舱伸出脑袋看河岸，你看到河岸在后退，白云在往后漂移，飞鸟在头朝你飞着，可它却在不断远离你！

然而，你现在也只能看到这种现象，因为你被限制在这个参考系中！你脑海里的"河岸静止"，"不动的白云"以及"鸟儿朝你飞来"的判断不是基于现在的参考系得到的，除非你另外再多选择一个参考系。但参考系只能有一个。因此，你无法将现在看到的结果与别的参考系对比而发现它们之间的差别。

再例如，有人说："我记得博尔特的百米速度最快是 9.58 秒，现在我看到他竟然跑出了 7.58 秒的速度，这说明我的参考系一定相对地面运动了"。

这个说法中，观察者提到的 9.58 秒并不是在这个参考系中测量的，是他的记忆中的东西，但物理学只关心 (活在) 当下的事情。因此，他的比较已经超出了物理学的范围。

因此，不同惯性参考系导致的变化是站在参考系之外的旁观者 -- 那个手握伽利略变换或者洛伦兹变换这些利器的人，在对比之后所看到的。对一个处于某个惯性系中的观察者来说，那些相对于别的参考系的变化是透明的 -- 他无法知道。

那么问题就来了，既然记忆中的东西不是物理，为什么相对性原理强调物理规律在惯性参考系中的不变性呢？因为物理规律也是记忆中的东西，那么强调这些也没有意义啊！

错！物理规律可不是记忆中的东西！它是当下你面前所有的物体所呈现出来的自然规律，它始终在那里，并不依赖于你的记忆。换句话说，只要你足够聪明，观察细致，方法得当，你可以从你面前的那些物理现象中获得这些物理规律。

用哲学语言说，物理规律是客观的！

物理规律对一切惯性参考系的等价性这件事，必须以一种假设的方式提出来予以声明。而之所以我们通过做任何物理实验都无法察觉惯性系的绝对运动，就是因为，当我们去验证那些物理规律时，发现那些规律任何情况下都是一样的。无论我们在地上，在船上，在飞机上得到的物理规律都是一样的！

本文来自微信公众号：大学物理学 （ID：wuliboke），作者：薛德堡