关于参考系与惯性系，你明白了吗？

原标题:《你懂参考系和惯性系吗。》

参考系的定义很简单，就是研究物体运动时要参考的物体至于惯性系，说起来也很简单:如果一个不受外界影响的物体保持静止或匀速直线运动，那么它的参考系就是惯性系

单纯从定义上来说，似乎有点太简单了下面就读者关心的两个问题，再来阐述一下

第一个问题:你能在参考系之外看吗。

简短的回答是:不！

但是这个问题的提法本身很容易被误解。

有人会问:选择参照系的物体不一定是封闭空间——比如小屋，也可以是在空中飞翔的鸟手枪射出的子弹如何区分内外

这个反问句说明不理解参照系的定义。

参考系是一个物体的抽象数学上用固定在物体上的坐标系来表示确定坐标系就是确定了空间和时间的测量方法:包括时间和空间的起点和间隔

所以，当人们说不要往参照系外看的时候，真正的意思应该是:你只能用确定的时空坐标框架，不能超越它换句话说，你所有的观察必须是相对于参照物的

其实参考系并没有限制你的观察范围。

相反，你可以根据参照系来看任何东西比如以一辆行驶中的汽车为参照系，你当然可以观察到车内车外的任何东西其实你既然选择了一个物体作为参照系，就要求你所做的任何观察都必须以它为基础，仅此而已

所以，当你选择一艘船作为参照物时，你可以透过窗户看任何东西，但你不能从外面探出头来回头看船本身，因为那样它就不再是参照物，而是一个要研究的移动物体但你可以看着窗外的一切，包括流动后退的河岸和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，你以自己为参照系这个时候，你的眼睛难道看不到你以外的东西吗

因此，选择参考系后，不能向外看是指不能超越参考系或不能选择多个参考系，而不是不能向外看。

其实，把不能往外看曲解为不能往外看还有其他原因这与人们对惯性系的误解有关

相信大家都知道什么是惯性系吧它的定义前面提到过狭义相对论认为所有的物理定律在所有的惯性系中都是等价的如果还是不太明白，可以参考之前的文章《什么是惯性系

假设你在一个封闭的惯性参考系中，比如伽利略的萨尔维亚迪号飞船由于看不到外面，你真的不会发现任何关于船速的信息正是因为这个原因，为了保证你无法从观测中获得任何关于惯性系中速度的信息这句话的正确性，有些人习惯于加一句只要你不往外看

但其实这是一个错误的认识相对论原理认为不存在特殊的惯性系！换句话说，没有绝对固定的参照系

所以，你无论如何都无法得到你的惯性系的绝对速度。至于你通过观察外部得到你的参考系的相对速度，当然是可以的！

在这种情况下，没有必要限制一个人通过机舱窗户向外看向外望去，他只发现船在海上航行，却一直不知道船在宇宙中的绝对速度是多少其实这个绝对速度是不存在的

但是，如果一个封闭的物体有自己的加速度，即使不往外看，也能感受到力，所以还是能找到参照系运动的线索。

所以所谓参照系内外，并不是指空间内外，而是是否超出一个参照系的界限选择了唯一确定的参照系后，只要你不以参照物为研究对象，你的观察就不受限制

第二个问题:协变是指什么都不变吗如果有变化，如何感知

物理定律等于所有惯性系，这就是物理学中的相对性原理。

相对性原理要求物理定律的形式保持不变，这叫做协变是指物理定律涉及的所有物理量协调变化，以保证它们之间的关系不变

例如，动能定理

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当改变不同的惯性参考系时，物体前后动能的变化和外力所做的功是不同的，但必须与上述保持相同的关系这就是动能定理的协方差

所以，相对性原理并不要求你看到的东西保持不变！事实上，除了静态质量，电荷，光速等不变量，其他物理量在不同的惯性参考系中都会发生变化。

那么，这种变化能被参照系中的人看到吗。

不要！

举个例子，你从一个稳稳的小屋里探出头来看河岸，可以看到河岸在后退，白云在飘回来，鸟儿在朝你飞来，但它却在不断地远离你！

但是，你现在只能看到这种现象，因为你被限制在这个参照系里！你脑海中的堤岸依旧，白云依旧，鸟儿向你飞来的判断，并不是基于现在的参照系，除非你选择另一个参照系但只能有一个参考系所以你不能把现在的结果和其他参考系比较，找出它们之间的区别

再比如，有人说我记得博尔特的百米速度是9.58秒，但现在我看到他实际跑的速度是7.58秒，这说明我的参考系一定是相对于地面运动了。

在这种说法中，观察者所说的9.58秒并不是在这个参考系中测量的，而是他记忆中的东西，但物理学只关心现在所以他的比较超出了物理学的范畴

所以不同的惯性参考系引起的变化，是站在参考系之外的旁观者——拿着伽利略变换或者洛仑兹变换工具的人——对比后看到的对于一个惯性系中的观察者来说，那些相对于其他参照系的变化是透明的——他不可能知道

那么问题来了既然记忆中的东西不是物理，为什么相对性原理强调惯性参考系中物理定律的不变性

不对！物理定律不是记忆中的东西！这是此刻你面前所有物体的自然法则它总是在那里，不依赖于你的记忆换句话说，只要你足够聪明，观察仔细，方法得当，你就可以从眼前的那些物理现象中得到这些物理规律

用哲学语言来说，物理规律是客观存在的！

物理定律对所有惯性参考系的等效性必须以假设的方式来陈述我们之所以不能通过做任何物理实验来检测惯性系的绝对运动，是因为我们在验证那些物理定律的时候，发现那些定律在任何情况下都是一样的