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惯性参照系依赖于宇宙学原理
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惯性参照系依赖于宇宙学原理
牛顿力学和狭义相对论的理论都只在惯性参照系中才能成立。下面我们只就牛顿力学来对惯性参照系进行讨论。
通常对牛顿第一运动定律的表述是：任何物体（可视为质点）都保持其静止状态、或匀速直线运动状态，除非受到外力迫使其改变这种状态。请注意，这里默认了参照系为惯性参照系；因为若不是惯性参照系，外力（包括万有引力）必定存在，牛顿第一运动定律就不可能成立。
什么是惯性参照系？在一些物理教科书中，把惯性参照系定义为牛顿第一运动定律在其中能够成立的参照系。这样的定义犯了逻辑循环的错误，因为在表述牛顿第一运动定律时已经默认了惯性参照系，怎能又通过牛顿第一运动定律来给惯性参照系下定义呢？
那么如何走出这个逻辑循环呢？只有通过不断的观测实验和反复验证，设法在宇宙中寻找惯性参照系。譬如说，以银河系的质心作为坐标原点，以从银河系的质心到某些遥远星系的的质心之视线作为坐标轴所形成的标架就是一个近似程度较好的惯性参照系;这个惯性参照系可称之为银河参照系。
现在来说明惯性参照系是否存在依赖于宇宙学原理是否成立。在前些时的博文中曾经强调过，宇宙学原理是否成立，要取决于宇宙流体的‘单元’如何选择。天文观测表明,以星系或以星系团为单元，把宇宙作为整体来考虑,严格的宇宙学原理都不成立。现在有些学者主张以空洞及其周围的星系为单元，把宇宙作为整体来考虑，宇宙学原理有可能成立。当宇宙学原理成立时，对称性决定了每一‘单元’都处在宇宙的中心，该‘单元’所受到宇宙中全部其它单元的引力相互抵消，合力为零（每一单元内部的星体也不受到单元外部的引力作用，但每一单元内部，每一星体，要受到同一单元内其它星体的作用。）。
如果以空洞及其周围的星系为单元，把宇宙作为整体来考虑，宇宙学原理准确成立的话，则以该‘单元’的质心作为坐标原点，以从该‘单元’的质心到某些其它单元的质心之连线作为坐标轴所形成的标架就是一个准确的惯性参照系;这个惯性参照系可称之为‘空洞’惯性参照系。要注意，惯性参照系本身不受到力的作用，而其中的物体则不是不受力的作用，在‘空洞’惯性参照系中，标架本身不受到外界引力的作用，但所选‘单元’中每个物体恒受到同一‘单元’内其它星体的引力作用。该物体的加速度由牛顿第二运动定律F=ma决定，牛顿第二运动定律也只在惯性参照系中才能成立。
如果宇宙学原理不成立的话，则在宇宙中找不到本身不受引力作用的参照系，即宇宙中不存在惯性参照系。我们看到，惯性参照系是否存在依赖于宇宙学原理是否成立。
若‘空洞’惯性参照系是准确的惯性参照系，则银河参照系不是准确的惯性参照系，太阳参照系（以太阳的质心作为坐标原点，以太阳到某些遥远恒星的视线作为坐标轴所形成的标架。）更不是准确的惯性参照系。银河参照系本身和太阳参照系本身都要受到外界引力的作用。天文观测和人造卫星实验表明，在一定的近似程度之内，太阳参照系和银河参照系都可当作惯性参照系。这也表明，至少，宇宙学原理是能近似成立的。
有些人认为宇宙学原理不过是个假设，不能作为宇宙学的理论基础，应当抛弃。如果抛弃，问题就大了。这不仅影响宇宙学，也要影响牛顿力学；那么，一个参照系是不是惯性参照系如何去判断呢？
附告: 《宇宙演化中的逻辑关联》系列博文即将结束，打算写一总结，还打算提出一些问题、看法和猜想，这需要时间准备。最近几天拟先发表讨论物理学中一些基本概念和基本规律的小品博文。
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