主题：牛顿定律到底说的是什么？（0） -- changshou

4.0 上一篇解释了 力的定义，力的规律 和 第二定律 之间的关系。它是建立在两个前提上的：

1。我们知道 质量 是咋回事

2。我们知道 加速度（物体运动状态的改变）是咋回事

4.1 可是我们真的知道了吗？这一篇就讲 加速度（物体运动状态的改变）是咋回事。

加速度 就是速度相对于时间的变化率。时间的测量本质上是 数某种自然界中的过程发生的次数。 那么速度呢？

麻烦来了。 一切速度 都是相对的。 你必须先指定一个观察者（也叫参考系）然后问 某个物体相对于该观察者的速度是多少。在观察者A看来 没有速度变化的一个物体运动过程 （即加速度为0）， 在观察者B看来 可能是有速度变化的一个物体运动过程 （即加速度不为0）。

这意味着第二定律不可能对所有观察者都成立（假如你认为对不同观察者而言，力和质量是一样的）。更糟糕的是，你连定义力 都成问题了 （因为无法确定加速度）。

4.2 牛顿力学的解决之道 是先验地认定 世界上存在着一类特殊的参考系。他们叫 惯性系。他们相互之间 相对静止或匀速直线运动。一切加速度 指的都是相对于 惯性系而言的加速度。容易证明，不同的惯性系下，测得的加速度是不变的（虽然速度不一样）。从这个意义上讲，有了惯性系，就有了绝对的加速度（将其定义为相对于惯性系的加速度 即可）。 然后就可以定义力了。

干这件事 在概念上 是很令人不舒服的。这里有两个麻烦问题。

1。凭什么存在特殊的参考系---大家同为观察者，为什么有的观察者是有特殊地位的？

牛顿力学的回答是 我们先验的假定 存在所谓的绝对空间。这不仅是对人类通常的空间体验作总结， 而且在总结时 假定 对（绝对）空间的 （数学化的）表述 （比如将其等同于一个三维欧氏空间）同其间发生的一切物质过程无关。世界可以没有中心（感谢地球中心论的废除！）， 但必须有 一个绝对固定不变的 作为万物背景舞台的 绝对空间。

有了绝对空间后，我们可以选择绝对空间为参考系，这就定义了惯性系。他确实是特殊的，因为他和绝对空间是一伙的。

由于我们认为 人类对世界的观测 本质上是人和其他物质的相互作用， 而绝对空间 是彻底脱离一切物质相互作用的 存在，于是我们无法观测 我们相对于绝对空间的运动。 这就带来了下一个问题。

2。如何判断一个参考系（观察者） 是惯性系？

答案是：无法判断（因为根据我们的假设 我们无法观测 我们相对于绝对空间的运动）。

肿么办？我们大胆的先验的假设 在处理地球附近事务时 地球是一个不错的 近似惯性系。在处理太阳系内部事务时，我们就不该把地球当作好的近似惯性系， 应该换为太阳。

对上面两问题的解决方式是先验的， 而不是建立在实验观测基础上的。

4.3 这里还有一个问题。 为什么我们把相对于绝对空间静止和匀速运动的参考系都定义为惯性系 而不是仅仅使用相对于绝对空间静止的参考系？

原因在于所谓的伽利略相对性原理。该原理指出 相对于绝对空间静止和匀速运动的参考系内的物体运动规律应该是一样。这里的一样包含两个意思：一是 物体的质量在这两种参考系中一样，二是 力不是运动（即有速度）的原因而是运动状态改变（即有加速度）的原因。

伽利略相对性原理是牛顿力学的基本假设。它是来自实验观测的吗？在接受地球是惯性系的先验假设后，人们发现在相对地球作匀速运动的参考系中的实验观测 和相对地球静止的参考系中的实验观测比较，看不出什么区别。 从这个意义上讲，这是实验观测中总结出来的原理。

4.4 有了惯性系的概念 和具体的（近似）惯性系后，我们可以陈述

牛顿第一定律：惯性系中物体 若不受外力 则静止或匀速直线运动(加速度为0），反之亦然。

用这种思路，牛顿第一定律就是第二定律的特例。

当然也有人喜欢把第一定律理解为： 牛顿第一定律就是声称存在惯性系。 在这种思路下，牛顿第一定律就是第二定律的前提之一。当然这种思路同上一种逻辑上是等价的。

至此， 我们还是在玩定义抽象概念 和先验假定。实验观测在哪里呢？这里 对实验观测的地位 理解方式 同上一篇是一样。 因为 我们可以把 牛顿第一定律理解为第二定律的特例。

4.5 绝对空间有一个伴，叫绝对时间。指的是 对（绝对）时间的 （数学化的）表述 （比如将其等同于一个一维欧氏空间）同其间发生的一切物质过程无关。世界可以没有特殊的时刻， 但必须有 一个绝对均匀流逝的大家均无异议的 绝对时间。之前我们讨论时间测量时就已假定了这一点。

4.6 绝对时间和绝对空间 是牛顿力学的基础。他们符合人类的日常体验 和对时间空间的朴素认知和想象。

待续

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