5 物理空间坐标系

5．1 物理空间坐标系

在物理空间中研究任何一个物质层次、系统、基元单位或物体的运动，首先必须要有一个观测者并且还要确定这个观测者的位置，其次必须选择一个相对于观测者不动的物体或者一组彼此相对静止的物体作为参照。这个物体或者这一组物体就称为参照系。由于在物质的五个层次结构中，上一个层次都是由许许多多下一个层次的系统或基元单位所构成，因此，研究下一个层次中物体、系统或基元单位的运动时，选择上一个物质结构层次中的物体、系统或基元单位作为参照系是很自然的。比如研究太阳的运动，选择银河系中心作参照系是合适的；研究地面物体的运动，选择地球作参照系，这也成了我们的习惯。但要指出的是，这些参照系都是相对的，这是因为被选作参照物的物体或系统本身就在运动。规律也是不尽相同的，因此要注意参照系是具有一定的物质定域范围特征的，其中所得出的客观规律是不能任意推向上、下两个物质结构层次的。比如地球上得到的热力学第二定律就不能无条件的延伸到宇观层次，超宇观层次以及微观层次和亚微观层次；地面附近测出的光速恒定规律也不能任意延伸到宇观、超宇观和微观、亚微观层次，如果作了延伸那只能看作是一种假设，而不是实际测定的客观事实。那种认为在参照系上的坐标系的坐标轴可以无限延伸，在所有物质层次中都适用，即“一个坐标系管天下”的思想，显然是不符合客观实际的。

选定了参照系后，有时还必须在参照系上确定一个合适的坐标系，一方面确定观察者的位置，另一方面以便定量的对物体的运动进行研究。坐标系的选择还应考虑满足以下三个条件：1）物质分布的均匀性。这就要求坐标系所涉及空间范围（定域）物质的分布是均匀的；2）物质分布的连续性。这就要求坐标轴的延伸范围内物质是连续的，是穿过同一种均匀物质的；3）物体运动的局限性。这就要求所研究的物体的运动不能超出参照系所规定的适用范围，如果超过了，就必须重新选定参照系。比如我们发射一个人造行星，在开始阶段我们可以选择地球为参照系，地心作极坐标的原点，但是一但进入行星际空间，我们就必须选择太阳作参照系，如果它飞出了太阳系，对于它的运动的描述，就应选择银河系作参照系了。尽管我们对坐标系的选择作了三项限制条件，但由于物质运动的复杂性，我们也只能观测到物质运动的有限特征和联系，而不可能穷尽物质运动的所有特征和联系。人造行星当飞行到太阳引力起作用时，甚至月球，木星的作用也有影响时，就应当作出相应的修正。特别是在当地球的作用和太阳的作用相当时，这种修正就是必须的。因此参照系以及参照系上坐标系的选择是有局限性的，得到的结论含有某种程度的假设和相对的成份。

当我们研究地面物体运动时，选地球作参照系，以观测者的位置作为坐标原点，如果我们选择笛卡尔直角坐标系，向上为z轴，垂直于z轴正交的选x、y轴，那么根据上述对坐标系的限制条件， z轴向上就不能延伸很远，因为，此时新以太和空气的密度已不均匀了；水平方向在假设地球是球形的情况下， x、y轴绕地球表面转一圈又回到了原点，因此x、y 的数值不能超过（R为地球半径）.这样我们称满足上述条件下的坐标系为物理空间坐标系。这是一个相对的坐标系.

5.2 惯性定律与绝对空间

在研究了地面上和斜面上的物体运动后,伽利略提出了惯性原理:物体在没有受到外力的情况下,永远保持其原来的运动状态。但是地面上的物体是有地球引力(即重力)和地面的支持力的,笛卡尔认识到这一点后,对伽利略的惯性原理作了修正:地面上静止的物体和地面上作匀速直线运动的物体都是惯性运动物体。即认定物体所受合外力为零时惯性原理也成立。其实这个”惯性”的意义在这里是指物体具有保持其静止或匀速直线运动状态不变的性质.在伽利略、笛卡尔的时代,人们认为”天圆地平”,因此所谓静止或匀速直线运动状态,其实是随着地球在作圆周运动.我国阎赤元先生正确的指出:”作惯性运动的物体永远保持其匀速圆周运动状态”,并进一步根据惯性运动的多样性得出广义惯性原理:“惯性运动的物体,总是以一定的规迹,一定的周期持续运动下去.且在整个周期运动的过程中,惯性运动物体相对于惯性系能量得失保持平衡”。由此可见地球绕太阳的轨道运动,氢原子中电子绕核的运动都是惯性运动.

但是当日心学说确立后,发现相对地球静止和地面上作匀速直线运动的物体其实都在随地球一起运动,牛顿虽然看到了这一点,但仍然抱妆静止”和”匀速直线运动”的概念不放,引入了他的绝对空间概念,认为“宇宙体系的中心是不动的” ，在这个理想的绝对空间参照系中，惯性原理依然成立。并且提出一个著名的“水桶实验”以证明绝对空间的存在。然而宇宙体系并没有一个中心，更谈不上这个中心是不动的，而且按牛顿对绝对空间所下的定义，绝对空间是一个柜架，一个无周边的箱子，没有物质存在，这样，他的惯性参照系就失去了可以作为参照的对象，空间失去了物质性变成了抽象的理想的数学空间，因此绝对空间以及牛顿的惯性定律都是错误的。至于“水桶实验”以及后来马赫的反对意见，都是在承认虚空的前提下虚拟的讨论，如果考虑桶壁内，水里面以及环境中的新以太，考虑桶、水与新以太介质间的相互作用以及新以太物质的几种运动状态，他们的解释显然就都是错误的。这也说明绝对的惯性参照系并不存在。