对惯性和惯性系的重新认识
吴 志
提要：本文颠覆了现代物理学关于空间、时间和运动的认识，既颠覆了牛顿力学对惯性和惯性系的认识，也颠覆了爱因斯坦的狭义相对论，尤其推翻了钟慢尺缩效应。
现代物理学认为：一个物体进行等速直线运动时，就是一个惯性系，所有惯性系都是等效的，即无论运动速度多快都是等效的。
这一认识来自一个思想实验：地球是一个惯性系，列车也是一个惯性系，在地球和列车上发生的事件都是等效的。比如，手持一个苹果在列车上释放，苹果会落在脚下，这与在地球上发生的事件一样。基于这一认识，于是有了爱因斯坦的狭义相对论，其中最著名的结论是钟慢尺缩效应。因为在列车上看，苹果是垂直下落的；在地面上看，苹果是斜线下落的。这样苹果走过的路程就不同了，所需的运动时间也不同了。也就是说，在同一事件中，在两个惯性系看来，时间与空间都不同。
不过，思想实验还是思想实验，往往是想当然得出了结论，无人真正用苹果在列车上做过实验。出于怀疑，最近我在列车上做了这个实验，不同的是用签字笔代替苹果，结果表明签字笔不能准确落在垂直的落点。实验过程和结果：在面向车头的“前进面”，选择一个九十度的墙角，在一人高处释放签字笔，签字笔垂直落在了地面墙角；在面向车尾的“后退面”，选择一个九十度的墙角，在一人高处释放签字笔，签字笔不能垂直落在地面墙角，而是向后飘移了1-2 cm左右。
在“前进面”下落的签字笔，不是“自由落体”，被墙角带着前进和下落，感觉是贴着墙角下来的；在“后退面”下落的签字笔，是“自由落体”，下落过程没有接触到任何物体，有飘移现象发生。这里的“自由落体”相是对于列车而言的，指下落过程没有碰到任何物体的落体。
这个实验是在2014年6月22日三亚到北京的T202次特快列车上做的，最初是在列车渡海时做的，即等于是在行驶的轮船上做的，随后是在行驶的列车上做的，从夜间12：16－6：50时点之间，做过多次这样的“自由落体”和“非自由落体”实验，得出的结果都一致，只是“自由落体”飘移的距离有所不同，因为列车的速度有所不同，“自由落体”的高度有所不同。
这个实验可以引伸出如下定律：①在不同的惯性系不等效（第九运动定律）。比如，在地面的自由落体会垂直落到地面，在列车的“自由落体”不能垂直落到地板。列车惯性系与地球惯性系有什么不同？列车引力小，地球引力大，对签字笔的引力大不相同，导致签字笔运动轨迹不同。②两个惯性系之间会相互影响，能通过引力影响另一个惯性系，能破坏另一个惯性系的物理法则（第十运动定律）。比如，签字笔的运动轨迹就受到地球引力影响，是列车运动和地球引力双重作用的结果。③从列车上下落的物体，不是严格意义的自由落体（第十一运动定律）。一方面，列车赋予一个前进动力，另一方面地球赋予一个下坠动力。向前运动是减速运动，向下运动是加速运动。④物体的惯性运动会缓慢衰减，不能永远保持相同的运动速度（第八运动定律）。释放后的签字笔获得的是惯性，离手瞬间与列车运动速度相同，由于没有受到空气阻力，按旧观念应始终保持原有速度，这样就会垂直落在墙角，实际上由于惯性衰减，向后飘离了墙角。⑤从运动状态发生的自由落体，与从静止状态发性的自由落体，下落加速度是等效的（第十二运动定律）。从列车上下落的物体，不是严格意义的自由落体，列车施加了向前运动，但由于下落加速度是等效的，可以视为自由落体，即在单位时间内下落距离是相同的，只是在下落瞬间从列车获得一个惯性力，影响到下落轨迹和落点而已。从地面上方下落的物体，也不是绝对静止的，地球带着运动或飞机带着运动。因此，从高楼跳下与从飞机跳下，都可以视为自由落体，在相同时间下降相同高度。
由此引伸到地球上空的天体和人造天体，无论它们以什么速度运动，向地球自由下落的速度和加速度是等效的。这个原理可以计算分析从地球附近掠过的小天体是否会落到地球上。但要提前计算和统计出不同高度和不同纬度自由落体的基本数据，即引力常数和下坠常数。小天体不能在轨道下坠到地球之前掠过地球的，就会击中地球。速度越快越不容易击中地球，距离越远越不容易击中地球。可以根据这个原理写出公式来，套数据一算就知是否会击中地球了。
现在天文学家似乎无人这么做，只是从小天体的运行轨道推测从何处掠过地球，实际上若轨道接近地球，是会被地球引力吸下来的，即轨道会发生改变。当然，任何天体都遵循这个真理，包括行星、太阳和恒星，有些小行星是有卫星的，也遵循这个真理。再扩展范围，磁吸铁也遵循这个真理，铁块向磁石飞去，可以视为自由落体，也存在加速度。作者在《地磁的形成》一文中已经揭示，从磁的角度看，磁石与地球都是磁铁，是属性相同的物体。
话说回来，列车不是严格意义的惯性系，因为列车是有持续动力的，如果关掉引擎列车才会进入惯性运动，但受空气阻力和轨道摩擦力的影响，列车会缓慢停下来。为了克服空气阻力和轨道阻力，给列车施加一个动力，让列车保持匀速直线运动，这就与惯性系没有什么两样了。因此，可以把匀速直线行驶的列车视为惯性系。至于在列车惯性系中下落的签字笔，向前运动没有任何阻力，向下运动空气阻力可以忽略不计，因此，签字笔向前运动是惯性运动，向下运动是自由落体运动。假如惯性不衰减，签字笔离手瞬间，获得的前进速度与列车速度相同，签字笔就应落在垂直位置上。
图1 在列车上选定的“前进面”墙角
图2 在一人高处释放签字笔
图3 签字笔沿着墙角垂直落到地面
图4 在列车上选定的“后退面”墙角
图5 在一人高处释放签字笔
图6 签字笔没有垂直落到墙角，而是向后飘移了1－2cm
这个实验，一方面否定了牛顿的惯性定律，牛顿的惯性定律认为惯性是恒定不变的，在没有外力作用的情况下，惯性一成不变。另一方面否定了爱因斯坦的狭义相对论，曾引起世界轰动的钟慢尺缩效应，纯属子虚乌有。狭义相对论是建立这么一个错误的思想实验之上的：从列车上落下的苹果会垂直落到列车地板上，于是推导出列车上的空间不等于地球上的空间，列车上的时间不等于地球上的时间。这是一错百错，因为出发点错了。
行文至此，已经可以结尾了。不过，还可以把问题引向更深层次。假如，这是一列在真空隧道中的磁悬浮列车，正依靠惯性进行直线运动，这时列车没有受到任何阻力，只有磁对列车的承托力。那么，①列车能按牛顿的惯性定律作永恒运动么？不可能，因为惯性会衰减，列车关机后会缓慢停下。②从车厢内落下的签字笔会怎么运动呢？签字笔会垂直落在列车地板上，至少在列车内看起来是如此。因为列车与签字笔同步发生惯性衰减。签字笔受地球引力影响，就像三角形的斜边一样向前滑落，最终签字笔会不偏不倚“垂直”落到列车地板。即使签字笔有一公里高也是如此，列车惯性衰减为零时就停止前进了，签字笔惯性衰减为零时也停止前进了，最终是列车停在路上等签字垂直落下。
这表明，在真空隧道中作无动力惯性行驶的磁悬浮列车，不可能永恒保持等速惯性运行。这是作者在《生命是什么？》和其他文章中推导出来的结论，现在算是有了不容置疑的实验证据。
假如，把地球拿掉，签字笔能不能垂直落在列车地板呢？不可能，签字笔会跟着走，落不下去了，就像在太空船内发生的情况一样，无须达到每秒7.9公里的第一宇宙速度。因为没有地球引力，也就失去向下运动的动力。列车能不能按牛顿的惯性定律进行永恒运动呢？不可能，因为上述实验已经证实惯性会衰减。若惯性不衰减，签字笔落下时就能保持前进速度，与列车同步向前运动，实际上列车与签字笔不同步，签字笔拉在了后面。
假如，列车运动足够快，达到了第一宇宙速度，周围也是真空环境，这样列车就成为一艘环绕地球飞行的宇宙飞船了，虽然轨道是环形的，但短距离看可以视为直线匀速运动，即可以概略视为一个惯性系。那么从车厢内释放的签字笔会怎么运动呢？答案大家都知道，那就是落不下来了，而是飘在了空中。但无论是列车还是签字笔，惯性依然会衰减。
严格来说，即使列车和签字笔成为了环绕地球飞行的宇宙飞船，依然受地球引力影响，依然向地球坠落，只是十分缓慢难以察觉而已。但这却是不争事实，人造卫星、飞船和空间站，轨道都会缓慢下坠。有人说这是因为太空存在稀薄空气的缘故。大谬不然，火星大气密度只有地球的1%，但两颗卫星都是缓慢向火星坠落的，即轨道不断下降，现在火卫一离火星中心9370公里，火卫二离火星23500公里，在如此高的轨道是完全没有空气的。月球是没有大气的，月球上的人造卫星轨道明显呈不断下坠状态。2007年中国发射的常娥一号探月卫星，每天轨道下坠500米，每一百天轨道下降50公里，因而每50天要靠发动机恢复原轨道和速度。
正是基于这些事实，《生命是什么？》得出结论：所有环绕中心天体运动的天体，包括恒星、行星和卫星，最终都会坠落到中心天体上。也就是说，太阳的归缩是银心，地球的归缩是太阳。月球可能是例外，虽然地球想拉它下来，但太阳也在拉它，最终是坠入地球还是飞向太阳，现在还不太好说。据美国学者观测，月球每年飘离地球3.8cm，说明太阳引力更大一些。不过，他们认为，原因是月球引力使地球自转速度每一百年减慢2.3‰，削弱了地球对月球的引力。这符合《生命是什么？》中的原理：自转越快的星体引力越大。
假如，列车达到第二宇宙速度或第三宇宙速度，摆脱了地球或太阳的引力，在太空中作直线匀速惯性运动，那么从车厢内释放的签字笔依然是飘浮在空中的。但这艘列车飞船受多种力的影响，一方面惯性力会衰减，相当于前进受到阻力。另一方面依然受太阳引力的影响，也受相邻恒星引力的影响，还受银河系中心引力的影响。因而会向各受力方向偏移，最终得出一个折中运动方向。况且，太空也不是绝对真空，也是弥漫着太空物质的，可以视为太空大气，会对列车飞船形成阻力，虽然阻力极其微小。
飞船、彗星、卫星、行星、小行星都不是处于惯性运动状态中，都是受中心天体牵引发生运动，就像拿着一根绳子甩圈一样，引力就像一根无形的绳子。在宇宙中运动的任何一个天体，都受到无数引力的影响，不可能处于引力真空中。有引力就有加速或减速，就看是向引力方向前进还是逆引力方向前进（第十三运动定律）。
假如，把运动中的签字笔释放到一个没有引力、没有物质、没有大气（星际大气）的绝对真空，会不会发生惯性衰减呢？从实验结果来看是会衰减的，不然解释不了签字笔向后飘移。火箭在太空中关机后，仍然保持惯性飞行，其实这是一种误会。火箭工作时是带有加速度的，一直是越飞越快的，这就是火箭运动的“惯性”，但关机后只能等速飞行，加速度消失了，这也是惯性衰减的一种方式。当然，火箭关机后也是不能维持等速运动的，速度是会缓慢衰减的。既然加速度会衰减，等速度也会衰减，火箭运动过程具有连惯性。
向太阳系外飞去的飞行器，都是借助太阳引力进行加速，从近日轨道掠过，让太阳把飞行器抛甩出去。太阳抛甩和飞行器火箭共同发力，让飞行器向太阳系外飞去。但能抛甩多远还是未知数，在惯性衰减的尽头，也许就是轨道的远日点，然后回归。也有可能，速度衰减为零后，就飘在太阳系外围，但依然受太阳微弱引力的影响，以每秒几米、几十米或几百米的速度，环绕太阳运动，成为离太阳最远的行星。
实际上，宇宙中并不存在一个没有引力、没有物质、没有气体的绝对真空，因而宇宙中并不存在严格意义的惯性系，所谓惯性系只存在于人类的大脑中，这是一种理想化的物理空间和运动状态，只要是客观世界不存在的事物，就是一种脱离实际的臆想，无异于痴人说梦。也就是说，永远保持匀速直线运动的惯性物体，在客观上是不存在的。那些向太阳系飞出去的宇宙飞船，说不定在强弩之末就会掉头返回。
如果宇宙中真的存在一个没有引力、没有气体、没有物质的绝对真空，在这个空间中运动的物体，可以视为静止的，因为没有参照物，也没有参照系，物体就无所谓运动不运动了，静止与运动完全是一回事。物体的相对运动，是两个物体相互位置改变的现象；物体的自转运动，是这个物体内部相互位置改变的现象（方位改变）。这是我们对运动的定义。
这个实验印证了作者在《新增运动定律》一文中给出的第五和第八运动定律：第五运动定律：在惯性系中，一个物体脱离其他物体时，可以从惯性系获得运动速度和运动方向，但这个物体的运动是独立的，不再受惯性系的支配。第八运动定律：物体的惯性运动会缓慢衰减，不能永远保持相同的运动速度。
惯性衰减定律可以解释人造飞行器在太空中的飞行。一方面，只要不是完全受母星驱动的，其运动速度会自然衰减。如靠惯性向太阳系外飞去的人造天体，最终会因为惯性衰减被太阳拉回来，无法飞出太阳系。美国分别于1972年和1973年发射的“先驱者10号”和“先驱者11号”探测器，正处于飞出太阳系的旅途中。科学家发现有一股奇怪的力量将这两艘太空船往回拽，这种现象被称为“先驱者号异常”。之所以说“异常”，就是因为用万有引力定律计算出现了较大偏差，实际距离比理论计算距离近了40万公里，即被太阳拉了回来。这种回拉的力量似乎一直影响着这两个探测器的飞行。
这么一来，这两个探测器就不一定能飞出太阳系了。因为惯性在不断衰减，还受到太阳的牵拉，除非能摆脱太阳引力，投入到另一个恒星的怀抱。但可能性微乎其微，离太阳最近的恒星也非常遥远，它们的引力不足以同太阳抗衡，这些星际探测器，没有能力飞入它们的怀抱。太阳对先驱者一号和先驱者二号探测器的引力，在理论上是永远存在的，只是离得越远引力越小，如此而已，但再远也是在家庭里或家门口。
另一方面，只要是母星驱动力不足的，其运动速度也会自然衰减。如绕月飞行的人造卫星常娥一号，因为月球自转较慢，引力较小，无法向卫星提供足够引力，在惯性衰减的作用下，常娥一号轨道每天下坠500米。火星有两个小卫星，由于火星提供的驱动力不足，它们正在缓慢向火星上坠落。驱动力不足，要么是提供牵引力的母星太小，要么是受牵引的子星太小，要么是两者距离太远。绕地球轨道飞行的卫星、飞船和空间站，都会缓慢坠落，人类归咎于太空有稀薄空气形成了阻力，并未意识到地球提供的引力抵不过惯性自然衰减。
只有像土星、木星这种自转极快、引力巨大的行星，才能向周围小天体提供足够强大的引力，因而可以看到土星环和木星环，环主要由石块、冰块和尘埃组成。环之所以在赤道上方，是因为赤道引力最大，可能在内部有一个被高速自转甩成飞碟状的高密度金属流体，因而在赤道上方形成了巨大引力。引力与星体的质量、辐射和自转有关，这个理论解释了月球为什么引力这么小，相关理论在《生命是什么？》中有论述。
2014年6月23日
附：后续实验。2016年5月2日从广州飞往沙特利雅得的国际航班上，我又做了一次相关实验，飞机比火车快多了，想观察一下两者有什么区别。我在飞机“前进面”一人高处释放签字笔，笔是沿着墙壁落下来的；我在飞机“后退面”一米高处释放签字笔，笔落下来向后飘移了4cm左右，远远多于火车上飘移的距离，因为飞机的速度更快。飞机是等速直线运动的，按照现有惯性理论可以视为一个惯性系，飞机动力只是为了克服空气阻力和地球引力，假如没有外界的这些力，按惯性定律飞机关机后应保持等速直线运动。那么落下的签字笔，水平方向的运动没有受到任何阻力，这是真正的惯性运动，按理应与飞机速度相同，理应垂直落到地面，但却向后飘移了，这说明惯性衰减了。
实验表明，在签字笔松手的瞬间，明显向后飞了出来，就像从垂直的墙面上飞出来一样，一边往外飞出，一边往下降落，毕竟飞机的速度实在太快了。
图7 飞机上的实验场所
图8 飞机上的实验场所
图9 把签字笔垂直置于约一米高的墙面
（作者在做实验，手机录像截图，下同）
图10 松手瞬间，可见笔的下端向外飞出
图11 松手瞬间
图12 松手瞬间
图13 签字笔落地，已经离开墙面
图14 把签字笔垂直置于约一米高的槽内（委托同
行的某公司何老板配合实验，手机录像截图，下同）
图15 松手瞬间，可见笔的下端向外飞出
图16 松手瞬间
图17 签字笔快落地时，明显脱离墙面
让我完成这个实验纯属天意。原计划是派其他人出差的，也提供护照给对方办邀请函了，几个月后外方改变主意执意让我去，只好自己跑一趟了，没想到签证办了几个月最终未获批准，也就不打算去了，但外方还是坚持让我去，又折腾了一个多月才把签证办下来。上了那架拥有三百多个座位的飞机，我的座位前面正好有一个“后退面”，“后退面”正好有条垂直凹槽对着我，这是这架飞机上的唯一实验场所，摆在我面前就是让我来完成这个实验了。国内航班没有这个实验条件，国际航班也不一定有这个实验条件，在返回的国际航班上，就没有这个实验条件，也就是说，找不到合适的“后退面”，或在“后退面”找不到一条垂直的凹槽，即使有条件不在我面前也不行，不会激发我的灵感做实验，也不好意思跑到其他乘客面前做实验，不然人家会以为我是疯子或想在飞机上搞破坏。这说明冥冥之中有天意。
见证人是同行的两个老板，一个是广州某公司的，一个是佛山某公司的，不过他们不知我想要的结果是什么。
补充实验于2016年7月28日补写
