惯性场

惯性场

吴志勇

身份证号： 32021119600218****

人类在探索宇宙奥秘的过程中，不断加深我们对宇宙的认知，从地心说到日心说再到我们现在对宇宙的认知，随着探测手段的提升，我们可以观察到更远的深空，发现了一个令人费解的天文现象---星系边缘的星体比理论上的运行速度更快。为了解释这一现象，科学家提出了暗物质的概念。然而到目前为止没有找到任何确切证据证明暗物质的存在，并且观测表明存在着与其相悖的现象__没有暗物质的星系。为了不与现实环境相冲突，对暗物质许多特性的定义也是匪夷所思的。为什么我们不能怀疑我们的基础理论牛顿加速定律F=ma出现了偏差？无数实验证明了这一定律的准确性，但我们忽略了一点，在一个封闭环境下的实验结果，往往不具有普适性。这个封闭环境是一个广义概念，比如在人类视野范围内可以视为一个封闭的环境空间。当我们突破这个观察范围就会发现一些真相的端倪。

为了更深入探讨牛顿加速定律，举个例子：地球上一个固定物体a和一个相对它在做加速运动的物体b，我们以a物体为参照物时，物体b的受力关系用牛顿加速定律可以准确的表达；但如果以b作为参照物时，物体a的受力关系用牛顿加速定律表达就产生了错误。当然我们的解释是：以a为参照物是一个惯性系，而以b为参照物是一个非惯性系。但这个惯性系不是凭空而来，因为我们否定了绝对空间的存在，那么它一定与宇宙中存在的大量物质有关，即本质上说参照物对物质的运动有着不可忽视的影响；假设一种特殊的场景，宇宙中只存在两颗一模一样的天体A和B，两颗天体保持受力关系的平衡状态，那么其中一颗天体必须绕另一颗天体运动（此时两颗天体绕轴心的共转是无法保持平衡状态的，因为没有其它物体作为参照物，两个天体实际上是处于完全静止的状态，除非存在着绝对空间），假设A绕B作圆周运动，这时其实我们是以B作为参照物来描述两个天体相对运动的。如果以A为参照物就可以认为B静止不动，而B在做自转运动。因为两个天体是完全相同的，选择哪一个天体为参照物都是等同的，即：A绕B的公转运动和B在做自转运动是完全等效的。但是在我们所处的真实环境下，公转和自转却不能完全等效，这是因为除了两个相对运动的物体之外，还存在着大量其它物质。比如：地球绕太阳的公转周期是一年=365天，太阳的自转周期大约为27天，如果只考虑地球相对于太阳的速度，地球相对于太阳的公转角速度为：2π/27-2π/365≈2π/30，即在没有其它天体参照的情况下，计算地球运动的受力关系是按30天地球绕太阳一周进行计算的；但由于存在大量的其它天体，在其它天体的参照下，地球的受力关系是按365天绕太阳一周计算的。因此在有和没有其它物质存在的前提下，天体运动的受力关系是完全不同的。也就是说物质运动的受力关系不仅与两个物质的运动状态有着直接关系，而且与其它物质的存在有着千丝万缕的联系。我们不妨再做一个思想实验：在地球的赤道上甩动一个小球，使小球做圆周运动，不论角速度多大，它一定需要一个向心力，等效的说它会受到一个虚拟的离心力；而在地球的北极极点（或南极极点）甩动一个小球时，同样也会受到一个离心力，但在某个特殊的条件下，比如逆着地球的自转方向，相对于地球以地球自转的角速度甩动小球时（此时小球相对于太阳和满天的星星所处的位置处于静止状态），小球还会受到一个离心力的作用吗？那么只有两种情况：1、小球不会受到离心力的作用；2、小球会受到一个离心力的作用。首先，如果小球没有受到离心力的作用，这符合我们的理论，因为小球相对于太阳等星体所处的位置点是处于静止状态，也就是说它在惯性坐标系中是处于静止的状态，而在惯性系中一切物理定律都得以成立，因此小球相对于惯性坐标系静止时应该没有外力的作用。这时假设我们拿去除地球以外的所有物质，宇宙中就只有一个地球存在，就无所谓赤道、极点等。因为地球是个球体，在地表各处都是对称的，在原先的赤道和极点上甩动小球受力情况完全一致，不是都没受到离心力的作用，就是都受到离心力的作用，无论哪种情况出现，都发生了受力关系的变化，因此外部物质对两个相对运动物体的受力关系一定会产生影响；其次，如果在极点上甩动小球会受到一个离心力，那么根据我们的认知，这个离心力的大小将与小球作圆周运动的半径成正比(ῳ^2rm)，当半径无限增大时，比如半径加大到一百万光年的长度时，这个离心力会不会增大到相应的大小，显然不会！因为如此，在一百万光年处的星体将受到非常巨大的离心力作用而飞离地球（我们可以把距离地球100万光年的星体视为甩动的小球）。那么小球相对地球运动的受力关系，一定与到地心的距离有关，并且小球受到的离心力与到地心的距离1/R^n成正比关系（这本身就是一种场的概念），当小球在地面范围内增加甩动的半径r时，小球到地心的距离保持不变，这时小球的受力与小球运动的半径成正比；当小球的半径加长到足够长时，甩动小球的半径与到地心的距离基本相等，这时随着甩动小球半径的增加，小球到地心的距离基本成正比的增加，小球受到的力反而会减小，直至到0。也就是说运动物体的受力关系与到参照物的距离相关！所以无论在极点上甩动小球，会不会产生离心力，都说明小球运动的受力关系必然会受到参照物的影响，而牛顿加速定律中却没有体现出参照物的影响。

从另一个角度说，物质运动是相对的，选择适当的参照物只是给我们提供了计算上的方便，但如果力学定律是一个准确的表达，不论我们选择哪个参照物不应该影响受力关系表达的准确性。

很显然惯性坐标系与宇宙中存在的大量物质相关，如果不能找到惯性系存在的背后原因，我们构建的力学关系将产生一定的偏差。

基于物质的存在或者说参照物对物体的运动会产生影响，我们自然会想到场的概念。

物质周围存在一个惯性场，惯性场试图阻止任何物体在其中运动状态的改变。惯性场强度与其质量和距离相关，可表示为质量m和距离r的函数关系F(m，r)。

如此，牛顿加速定律就应该修改为F=m×a×F(M,r)，其中m为运动物体的质量，a为运动物体相对于参照物的加速度，F(M,r)为参照物的惯性场，M为参照物的质量，r为运动物体到参照物的距离。

这样修改后的牛顿加速定律必须满足我们过往的所有实验结果，否则惯性场的观点难以被实验支持。为此我们进行如下的分析。

为了简化各种环境因素的影响，我们假设宇宙中只有一个地球存在，地球的质量为M，地球上有一列火车在加速运动，加速度为a，火车的质量为m。以地球为参照物时，火车的受力f与地球的惯性场强度成正比，可表达为：

f=m×a×F(M,r)

以火车为参照物时，地球的受力F与火车的惯性场强度成正比，可表达为：

F=M×a×F(m,r)

我们知道作用力等于反作用力，所以f=F，因此可以推导出惯性场强度与质量成正比F(m,r)=m×G(r)。需要特别注意的是，在此表达式下，物质的运动完全是相对的。

这一结论看似与我们的实践经验不相符合，在一个引力场中，物体的自由落体加速度完全与引力质量无关！表达为：

G×M×m/r^2=m×a×F(M,r)=m×a×M×G(r)

a=G/r^2×G(r)

即：在地球上与在月球上的自由落体加速度应该相同才对（在距离相同的前提下）。但这只是我们单单考虑两个相对运动的物体时才会得出这样的结论，如果把宇宙中无数天体统统考虑进去，情况会大不一样。

当处于现实环境时，物体运动的受力情况就要复杂的多，按前述对惯性场的定义，很显然宇宙中的每个物质都会对运动物体产生影响，物体运动时相对于宇宙中的每个天体都会有一个相应的加速度，因此运动物体必须克服宇宙中每个天体惯性场的阻碍。运动物体的受力关系可表达为：

F=m×∑ai×F(Mi，ri)

其中m是运动物体的质量，ai是运动物体相对于宇宙中各个天体的加速度，F(Mi,ri)是各个天体在该点的惯性场强度。

其中ai我们可以把它分解为两部分，以便于分析：

F=m×∑ai×F(Mi，ri)=F=m×∑（ai1-ai2)×F(Mi，ri)

=m×∑ai1×F(Mi，ri)-m×∑ai2×F(Mi，ri)

即：在宇宙空间中选择一个固定点作为参照，考察物体相对于各个天体的加速度时，就等于这个运动物体相对于固定点的加速度a1减去各个天体相对于固定点的加速度a2（就像在地面上考察两个运动物体相互之间的加速度时，可以分别测量出各自相对于地面的加速度a1和a2，a1-a2就是它们相互之间的加速度）。ai1以这一固定点的位置为参照，运动物体相对这个参考点的加速度全都相同，由此产生的力是简单的叠加；ai2是各参照天体相对于这个固定点的加速度，由于各个天体相对于固定位置点处于不同的运动状态，由它产生的力方向上是杂乱无章的，因此产生的合力在很大程度上相互抵消，即使不能完全抵消，在通常的空间区域，单个天体的惯性场对运动物体产生的阻碍力是极其微弱的，当样本数趋于无限大时，由于ai2产生的合力不能有效的叠加，所以由ai2产生的合力远远小于第一部分ai1产生的合力。即：

m×∑ai1×F(Mi，ri)>>m×∑ai2×F(Mi，ri)

所以按统计的观点，可以忽略ai2的影响，即我们可以认为在宇宙中各个天体全都处于一个固定的位置状态，认为运动物体相对于各个天体的加速度完全相同。

当各个天体可被视为处于固定状态时，物体运动的加速度对于每个天体都是相同的。物体的受力关系可简化为：

F=m×∑ai×F(Mi，ri)=m×a×∑F(Mi，ri)

上面的表达式已经和我们熟知的牛顿加速定律非常接近了，但多了一项∑F(Mi，ri)，它是宇宙中所有物质产生的惯性场的合成，正是多出的这一项，为我们提供了一个重要概念：

在宇宙空间中存在着一个背景惯性场，它是宇宙中所有物质形成的。所谓的惯性系，本质上就是以这个背景惯性场为参照的参照系。简单说就是把宇宙中满天星星看着静止不动，并以它们作为参照物构成的坐标系。

太阳系在宇宙中是非常微小的一个区域，在其中的背景惯性场变化极其平缓，当我们定义其背景惯性场强度为“1”时，就得到了牛顿加速定律的一般表达式F=m×a。所以在我们目前能做到的环境下的实验结果全部满足牛顿加速定律。但我们必须清楚这只是一种近似的表达，虽然以我们人类的视野看，在很大的空间范围都适用，但其适用范围并不能无限拓展。在更大尺度的空间范围来看，背景惯性场是波动起伏的状态。

在太阳系内，宇宙中全部物质产生的背景惯性场强度仅仅为“1”，可见单个星体产生的惯性场强度是极其微弱的，它是一个非常微弱的物理现象。但在超大质量黑洞的附近，它产生的惯性场对背景惯性场能够产生一定的扰动。在考虑背景惯性场时，ai1产生的合力远大于ai2产生的合力，所以从统计的观点看，我们把各个参照物视为静止的状态。

而在黑洞的附近区域，由于其超大的质量以及黑洞强烈的自转（等同于运动物体在黑洞的惯性场中绕黑洞强烈旋转），运动物体相对于黑洞就会有一个很大的加速度，以至于单个黑洞惯性场对运动物体产生的阻碍力，就能接近甚至远远大于宇宙中所有天体对运动物体产生的阻碍力，因此除了背景惯性场对运动物体的影响外，还必须单独考虑黑洞惯性场对运动物体产生的影响。比如银河系内，中心地带存在着超大质量的黑洞，由于距离的缘故，它对该区域中背景惯性场的贡献更为突出，就能对背景惯性场产生一定的扰动。所以银河系中间区域的背景惯性场强度会略高于边缘区域的背景惯性场强度，同时由于受到中心黑洞自转的影响（等效于天体在黑洞的惯性场中绕黑洞旋转），它会对天体产生额外的离心力，当我们忽略黑洞惯性场的影响，以中心天体的公转速度为基准，计算黑洞质量时，就会大大低估黑洞的真实质量。而在星系的边缘区域，由于距离黑洞十分遥远，黑洞自转提供的离心力激剧衰减，天体公转产生的离心力相对于黑洞自转产生的离心力比重大大的增加，就需要更大的公转速度来抵消比理论上大的多的引力影响，表现为边缘天体绕星系的运动速度比理论上更快。

用惯性场的观点能够对一些天文现象做出合理解释。比如太阳系内的行星总是运行在黄道面这一自然现象。当太阳以一个固定的角速度自转时，等效的可以视为其它星体在太阳惯性场中绕太阳的自转轴旋转，当行星不处于黄道面内运行时，由于受到太阳惯性场的作用，绕轴旋转的行星将会产生一个离心力（需要一个向心力，可理解为一个虚拟的离心力），虽然太阳的惯性场强度很弱，这个力相对很小，但是它与引力的方向却不一致（惯性场提供的离心力垂直于太阳的自转轴，而引力方向是运动物体到太阳质量中心点的连线方向），无法被平衡掉，于是星体便会产生移动，当作用的时间足够长时，最终星体不是落入黄道面内运行，就是飞出太阳系。这一解释同样适用于土星环的形成。这就解释了星体在一个稳定的恒心系统或星系系统中，总是在中心星体自转轴垂直平面内运行的原理（虽然目前我们有角动量守恒的观点解释这种现象，但黄道面与垂直于太阳自转轴的平面存在一个角度差，用角动量守恒这一观点是无法解释的）。

由此可见，惯性质量并非一个恒定不变的参数，它是一个随参照物质量变化的参数。在通常的空间区域中，可以用背景惯性场表达所有参照物的影响，如果不是在宇宙的边缘区域，背景惯性场的变化是极其平坦的，当我们定义它的背景惯性场强度为“1”时，就得到了牛顿加速定律的一般表达式F=ma。但在超大质量黑洞附近区域，当物体相对于黑洞有较快的运动速度时，就不能把黑洞视为静止状态，除了背景惯性场外，还必须考虑物体相对于黑洞的运动。

惯性场的观点，完全满足物质运动的相对性，它不以参照物的选择为前提条件，实际上它是以所有物质为参照物，分别计算出受力大小，然后进行向量叠加的结果。参照物的选择仅仅为我们提供了计算上的方便（相当于以背景惯性场为参照，并以背景惯性场计算运动物体的受力。而不是精确地，相对于每个参照物进行计算，得出的数值进行向量叠加）。牛顿加速定律是特定环境下的一种近似表达。星体的自转会产生一个垂直于轴向方向的力，虽然这个力是一种极其微弱的物理现象，但对我们认识宇宙的存在有着不可估量的意义。

综上所述：物质周围存在惯性场，惯性场试图阻止任何物体在其中运动状态的改变，物体的惯性质量与参照物相关。宇宙中所有物质会构成一个背景惯性场，正是由于这个背景惯性场的存在，掩盖了物质具有的这一物理特性，只有在大尺度的空间范围，才能观察到物质具有的这一特征。

检验惯性场是否存在可以通过观测实验的方式进行：

1. 由于星系中间区域的背景惯性场强度大于星系边缘区域的背景惯性场强度，以及黑洞自转会产生额外的离心力（这个力对黑洞附近的星体影响很大，在星系边缘区域或更远的系外空间，由于距离的原因，黑洞的惯性场已衰弱到接近“0”值，通常相比于背景惯性场的影响程度，比重已大大降低。），在没有考虑惯性场的影响下，以中心区域的星体绕行黑洞的轨道推算出的黑洞质量，将大大低于其真实质量（具体的推算在下面分析），因此星系边缘的星体绕星系公转的速度将比理论上的速度更快，这点已被观测证实。

2. 太阳系中，行星运行在黄道面内，黄道面与垂直于恒星自转轴的平面存在一定的角度偏差，观测表明偏差值大约为6度。这个偏差一直让科学家们困惑不解。但是用惯性场的观点就能轻易解释清楚。如上所述，当恒星自转时，受其惯性场的影响，它总是试图将行星拉入垂直于恒星自转轴的平面内运行；同样道理，星系中心的黑洞也试图将星系内的所有星体拉入垂直于黑洞自转轴的平面内运行，当太阳的自转轴与银道面不垂直时，两个力就不会重合，其作用结果就会使行星运行的轨道面与垂直于恒星自转轴的平面产生一定的偏差。这个偏差值与恒星的质量和自转速度相关，恒星的质量越大、自传速度越快，其偏差的角度就越小；越靠近银河系中心，受到黑洞的影响就越大，角度的偏差会越大。这样就可以通过观测不同质量的、自转速度不同的、距离银河系中心不同位置的恒星，其行星绕恒星的轨道面与恒星自转轴垂直平面的角度差来确定是否存在惯性场。

3. 观测表明存在这样的星系，其外围星体绕星系公转的速度与中心区域的星体绕星系公转的速度都接近理论计算值，因此我们推断星系内部没有暗物质存在。

科学家提出了各种解释，来解释这些星系为什么没有暗物质存在，但都不能令人信服。但以惯性场的观点可以很合理的解释：假设我们定义背景惯性场的值为K，根据宇宙内物质的分布来看，K值的变化非常平坦（除非在宇宙的边缘区域），当我们定义太阳系内的背景惯性场为“1”时，在空间很大的范围内K值都为一个接近“1”的值。所以牛顿加速定律都能适用。但在超大质量的黑洞附近，虽然在黑洞视界范围以外（即与黑洞存在足够的距离），黑洞的惯性场与背景惯性场相比也是极其微弱的一个值，但由于受到黑洞高速自转的影响，它对附近星体产生的离心力是巨大的。假设黑洞在此区域的惯性场强度为N（N是一个随距离变化的值），背景惯性场为K，黑洞自转的角速度为ῳ，星体绕星系的公转速度为V1，公转的角速度为ῳ1。公转意味着星体在背景惯性场中运动，而黑洞的自转等效为星体在黑洞的惯性场中绕黑洞做旋转运动，当星体的运动保持平衡状态时，星系内的星体受力关系必须满足：

G×m×M/r^2=(V1^2/r)×m×K+N×(ῳ-ῳ1)^2×r×m

=K×ῳ1^2×r×m+N×(ῳ-ῳ1)^2×r×m

当黑洞自转角速度ῳ等于0或接近等于0时，由于黑洞的惯性场强度远远小于背景惯性场强度，上式可近似为： G×m×M/r^2=K×ῳ1^2×r×m+N×(ῳ-ῳ1)^2×r×m

=K×ῳ1^2×r×m+N×(0-ῳ1)^2×r×m

≈K×ῳ1^2×r×m+N×ῳ1^2×r×m

=(K+N)×ῳ1^2×r×m

≈K×ῳ1^2×r×m

因为在整个星系内，背景惯性场的变化非常平缓，K基本上可视为常数，上式就与目前理论计算相吻合。因此，星系中心区域和边缘区域的星体运动速度都接近我们目前理论的计算值，看似没有暗物质的星系，实际上是中心的黑洞自转速度接近为0的一种现象。我们可以通过观测所谓的没有暗物质的星系中心黑洞的自转速度是否接近0来确定惯性场的存在。

也可以按统计学的概念进行推测：由于看似没有暗物质的星系，理论推算它的中心黑洞质量更接近其真实质量；而看似有暗物质的星系，理论推算它的中心黑洞质量被大大低估，所以没有暗物质的星系中心黑洞的质量会比有暗物质星系的中心黑洞质量看起来大很多。通过观测足够多的没有暗物质的星系，其中心黑洞质量与有暗物质星系中心黑洞质量进行对比，如果平均值相差很大，则间接证明了惯性场的存在。

观测表明：星系中间区域的星体绕黑洞公转的速度与星系边缘的星体绕黑洞公转速度变化不大，即ῳ1×r可近似视为常数。根据目前我们掌握的知识，太阳绕银河系公转一周大约需要2.5亿年的时间，而太阳距离银河系中心大约为2.61万光年。那么在距离黑洞261光年处的星体绕黑洞公转的角速度大约为250万年。而黑洞的自转周期不到一天，假设在距离黑洞261光年处黑洞的惯性场强度为N，背景惯性场强度为K，黑洞的质量推算如下：

按目前的理论推算出的黑洞质量为M0。即：

G×m×M0/r^2=ῳ1^2×r×m

M0=ῳ1^2×r^3/G

计算黑洞真实质量时必须考虑黑洞惯性场的影响，黑洞质量M的计算如下：

G×m×M/r^2=Kῳ1^2×r×m+N×(ῳ-ῳ1)^2×r×m

因为ῳ>>ῳ1，所以

G×m×M/r^2≈K×ῳ1^2×r×m+N×ῳ^2×r×m

M=K×ῳ1^2×r^3/G+N×(ῳ/ῳ1)^2×ῳ1^2×r^3/G

=K×M0+N×(ῳ/ῳ1)^2×M0

=K×M0+N×(250×10^4×365/1)^2×M0

K为一个接近“1”的值，即使黑洞的惯性场强度N只达到背景惯性场强度的10^10之一，黑洞的质量也被低估了一千多万倍。而在星系的边缘区域，由于距离黑洞太远，黑洞的惯性场强度激剧衰减，它提供的额外离心力也激剧减弱，由于黑洞的引力超过目前理论计算值一千多万倍，就需要星系边缘的天体绕黑洞公转更大的速度来抵消黑洞的引力。所以星系边缘的天体绕黑洞的速度比目前理论上的速度更快。

另外根据观测结果，可以大致推算出惯性场的表达形式。由于黑洞对星体的引力等于星体在背景惯性场公转产生的离心力加上黑洞惯性场自转对星体产生的离心力，黑洞的质量为M0，星体的质量为m，星体绕黑洞公转的速度为V1，黑洞自转的角速度为ῳ，背景惯性场强度用K表示，黑洞的惯性场强度用N×M0/r^n表示,则：

G×M0×m/r^2=K×V1^2×m/r+ῳ^2×r×m×N×M0/r^n

K×V1^2=M0×(G/r-N×ῳ^2/r^n-2)

如果n<=2，当r>G/N×ῳ^2时，离心力就会大于引力，使两个星体向背离的方向运动,由于离心力始终大于引力，两个星体随着时间的推移距离会越来越远。也就会造成宇宙内的物质发散开，那样的话，我们不可能看到今天的宇宙。所以n不会等于2或小于2。

如果n=3，K×V1^2=M0×(G/r-N×ῳ^2/r^n-2)=M0×(G-N×ῳ^2)/r

可见V1的平方还是与距离r成反比关系，这与我们的观测不符，所以n也不等于3。

如果n=>5，由于惯性场随着距离r的增大衰减太快，当r足够大时，基本可忽略黑洞惯性场的影响，而使得星系外层的星体公转的速度基本满足V1^2与距离r成反比的关系，这同样违背了观测结果。

所以n应该等于4。V1和r的关系可表达成：

K×V1^2=M0×(G-N×ῳ^2/r)/r

由上式可见V1随距离r的变化在一定范围内更趋平缓，这在一定程度上解释了星体的公转速度随距离的变化不大的观测结果。也可以通过精确观测星系内不同距离的星体公转速度是否接近上述表达的规律，来确定惯性场的存在。

同时我们会发现，在惯性场被表达成N×m/r^4的情况下，宇宙将会是一个自平衡的系统。为说明此观点，做个假设：宇宙中只存在两个星体A和B，并且A绕着B旋转，等效于B自转，角速度为ῳ，并且在距离r0处受力关系处于平衡状态，星体B的惯性场表达成N×m2/r^4,两个星体之间的引力为：G×m1×m2/r^2。而离心力为ῳ^2×m1×r×F(m2,r)=ῳ^2×m1×r×N×m2/r^4=N×ῳ^2×m1×m2/r^3则：

G×m1×m2/r0^2=N×ῳ^2×m1×m2/r0^3

r0=N×ῳ^2/G

当r>r0时，引力会大于离心力，万有引力会把两个星体拉近。当r

姓名:吴志勇（1960-），男，籍贯:江苏南京，民族:汉，学历:本科，职称:工程师，科学爱好者，身份证号：32021119600218XXXX