狭义相对论只适用于惯性参考系(在惯性系中狭义相对论的结论才能成立)

网友提问:

狭义相对论成立的前提是惯性参照系,可宇宙中有惯性参照系吗?

优质回答:

根据惯性定律,零加速度(Σa=0)的运动体系,为惯性参照系。若Σa≠0为非惯性参照系,此时体系处于静止状态、匀直运动,包括匀速圆周运动、测地线循环。

严格地说,宇宙中不存在惯性参照系。因为一方面,任何天体都在做螺线运动,不存在静止与匀速圆周运动。同时,天体由近及远的空间暗物质分布处处不均匀。但是,在不影响精度要求时,若a的影响足够小,可把非惯性参照系简化为惯性参照系。考虑以下几种情况。

你,作为一个系统,坐在公交车上,公交车是你的外界环境,即一个参照系。若公交车匀直行驶(Σa=0),你的惯性不受影响,坐得安稳。若公交车加速、减速、转弯,即Σa≠0,就会破坏你的惯性,你会后仰、前倾、向外甩歪。

你若没扶好,会撞上旁边的乘客,但不会很糟糕,因为你俩之间的相对速度很小。但是,你若被甩出去,就以汽车速度,撞到地面步行者,情况会很糟糕。

如果公交车,一直沿着一个很大的圆,慢速做匀速圆周运动,或者极慢地,起步、加速、减速、停车,虽然Σa≠0,但你还是比较安稳,此时可近似认为公交车是一个惯性参照系。只要满足精度,近似或简化,很重要。

考虑发射的卫星,作为一个系统。地球是一个非惯性参照系,维度30°60°90°(两极)的线速度分别为403m/s、233m/s和0m/s。发射卫星的第一宇宙速度7600m/s。可以把地球看作非惯性参照系。

但是发射同步卫星,精度要求很高。因为地球对远在地球辐射带几万公里处卫星的影响。要考虑以下参数。地球自转周期:1转/23小时56分4秒平太阳时; 地球公转周期:1转/365日5小时48分46秒(即365.242平太阳日),公转平均速度:29.79千米/秒,在远日点公转的速度29.3千米/秒; 在近日点公转的速度30.8千米/秒。

发射同步卫星需要高超的技术,一般先用多级火箭,将卫星送入近地圆形轨道,此轨道称为初始轨道;当卫星飞临赤道上空时,控制火箭再次点火,短时间加速,卫星就会按椭圆轨道(也称转移轨道)运动;卫星飞临远地点时,再次点火加速,卫星就最后进入相对地球静止的轨道。若把三颗同步卫星,相隔120°均匀分布,卫星的直线电波将能覆盖全球有人居住的绝大部分区域(除两极以外),可构成全球通讯网。截止2012年,已有十几个国家和组织发射了100多颗同步卫星。1984年4月,中国的同步卫星发射成功。地球同步卫星是人为发射的一种卫星,它相对于地球静止于赤道上空。从地面上看,卫星保持不动,故也称静止卫星,从地球之外看,卫星与地球以相同的角速度转动,角速度与地球自转角速度相同,故称地球同步卫星。

在平常的计算中,我们认为这是匀速圆周运动,运转周期24小时,地球同步卫星距赤道的高度约为36000千米,线速度的大小约为每秒3.08公里。同步卫星的高度可通过开普勒(J. Kepler)第三定律H + E = R = AP2/3来计算,其中周期P = 0.99727,比例常数A = 42241,地球半径Er = 6378公里,故可算出同步卫星的高度为H = 35,786公里。

显然,银河系一个非惯性参照系,太阳的绕银心的线速度250km/s,由于银河系尺度10光年,太阳系尺度大约100亿km,相对为质点。地球绕太阳29km/s,地日之间近似为相对静止。就银河系来看,太阳系可近似为地球的惯性参照系。

考虑太空中的一个自由电子e(等离子体)的运动。由于e的空间暗物质环境,局域必为非惯性参照系,但是就e的某时段全局,e按最小作用量的运动轨迹,服从正态分布(大数法则)。就这个意义上说,可以认为,全局性的空间暗物质是一个惯性参照系。

综上所述,考察一个系统所在的环境,是不是一个非惯性参照系,要以“测量精度”为原则,要考虑“大数据”,做必要的简化处理。概念清楚很重要,但不要认死理。

其他网友回答

生活不止眼前的苟且,还有诗与远方。

对人生来说,是这样的。

对物理规律也说,也存在”眼前的苟且“。

你说得很对,狭义相对论成立的前提是惯性参照系,可宇宙中有惯性参照系吗?

如果这是一个反问句,那么问得非常犀利。

答案是:几乎没有。

但是,如果有一个物体,它在运动,我们可以在它的世界线上构造一个局部瞬时静止惯性参考系,这个惯性参考系就是小了点,但还是存在的。

另外,爱因斯坦所说的”自由下落的电梯“,也可以看成是一个局部的惯性参考系——其实也只有一个质点那么大的空间。

这就是惯性系”眼前的苟且“。

为什么大的惯性参考系都不能存在呢?

原因在于,引力场不可屏蔽,引力引起的时空弯曲不能在大范围内消失,所以,不存在大范围内的惯性参考系。

但是,为什么狭义相对论还是一个有效理论呢?这是因为在我们地球附近,引力很弱,时空近似于平坦,所以存在近似程度非常好的惯性参考系,所以狭义相对论依然是有效的,只是有一点点轻微的误差而已。

那么,物理规律的”诗与远方“是什么呢?答案是,那就是广义相对论。广义相对论抛弃了惯性系的概念,只谈参考系,不谈惯性系,它就是那么野。广义相对论其实就是把狭义相对论与引力理论结合起来了,让这两个相互有矛盾的家伙结婚了。


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