那么，什么是离心力？

那么，为什么提出离心力的概念？

如果我们坚持把非惯性系框架置于牛顿定律下，那么离心力的发明可以让我们在非惯性系中进行适当的标记。非惯性系的一个简单例子：考虑一下公交车刹车时会发生什么。一开始，每位乘客都向前移动。较重的人感觉到强大的力作用于他们自身，较轻的人只会感觉到一个较小的力。但所有的人都感觉到了同样的加速度。这是一种虚拟的力，因为它是我们用来解释为什么我们突然加速前进的一种力。在街道的惯性系中，这种力是不存在的。真正的力是由地面对公交车轮胎的摩擦提供的一个简单的力，并通过刹车传递给公交车车身。这种力加速了公交车的后退或减速。除非乘客坚持住，否则他们会继续向前移动，直到公交车内有其他物体将他们止住。

根据我们对参照系的选择，在分析乘客为何向前移动存在两种力。

在街道的惯性系中，制动力会推动公交车后退，这是一种在惯性系中产生的真正的力。它只在公交车上工作，所以除非我们坚持，否则我们将继续以恒定的速度前进。

在公交车刹车的非惯性系中，力作用于我们的身体而不是公交车。它会推动我们前进，其力量与我们的重量成正比。如比我们重两倍的乘客会感受到两倍的力，但我们和他们都会感觉到同样的加速度，这无疑比公交车与街道的参照系复杂得多。如此依赖于质量的力是不合适的，我们可以使用非惯性系。如果我们要求牛顿定律在这样的参照系内成立，那么我们将不得不借助这个虚拟的力。

需要注意的是，虽然汽车刹车时推动我们前进的力通常被认为虚拟的，但对于公交车的乘客来说这个力是真正存在的。从基础的角度解释自然的力看似不“自然”，但并不意味着这虚构的力不是“真实的”。如果我们足够集中精力，这种虚拟力就会消失。“虚拟”一词仅仅是指，当我们将参照系转换到惯性时，力就不存在了，因为惯性系在物理学中占有非常特殊的地位。但是，作为一种量化公交车乘客在刹车时如何倾斜的手段，虚拟力是完全合适的，并且和其他任何一种力一样真实。它像所有其他的力一样，囊括在牛顿定律中。

离心力也是这样的一种虚拟力。当我们分析一个旋转情境时，由于圆周运动包括加速（可能只是方向改变，不一定是速度改变）。所以旋转框架也会加速，就像公交车一样。当公共汽车拐弯时，我们会感觉到离心力。如果我们选择了更好的参照系（比如惯性的街道参照系），那么我们就会看到：由于轮胎上的道路摩擦，公交车感觉到了一种力，而乘客根本没有感觉到任何力量，直到公交车的速度超过乘客的自然恒速运动，才能把乘客甩到公交车的拐角处。但是在非惯性的公交车参照系中，有一种力会对乘客进行侧推。

所以离心力是一种虚拟力，用来使牛顿定律适用于旋转的情境（在这个问题上，科氏力是另一种我们在地球平缓旋转的情境中引入的虚拟力，可以用来解释为什么由于压差而移动的大气团会感觉到产生风的力）。如果在惯性系内进行计算，那么离心力与卫星的运动完全无关。如果我们选择一个非惯性系，那么我们肯定需要使用离心力。但是非惯性系对解释为什么卫星绕地球运行没有任何用处。

一个很直观的例子是地球同步卫星。它们被放置在离地球赤道约36000公里的轨道上，其高度正好与它们一天内绕地球轨道的高度相当。由于地球在同一周期只旋转一次，这些卫星总是在其表面的同一点上空盘旋。从惯性系（比如说太阳系）来看，地球同步卫星没有什么特别之处。它们只感觉到引力，卫星受到地球的引力会下降，同时又会保持最初火箭对它们施加的横向运动。但是从站在地球表面的某个人的角度来看，一颗地球同步卫星只是徘徊在一个地方，就好像它在某种程度上克服了引力一样。记住，旋转的地球是一个非惯性系，我们需要引用离心力符合牛顿的F=ma公式。因此，我们可以肯定地说，在这个框架中，有一种离心力支撑着卫星。但正因为非惯性系并不合适，所以我们被迫构造出虚拟的离心力。离心力的存在使我们可以在这一非惯性系框架里进行计算。不过，为了解释卫星为什么会静止，我们需要选择一个惯性系。在这一框架中，离心力是不存在的，卫星也并非静止。

引力本身是一种虚拟力吗？

在前面我提出，当公交车刹车时，我们感觉到的力的强度与我们自身的质量成正比。但是引力呢？它也有一个与我们的质量成正比的力！引力也可能是一种虚拟力吗？

是的，这正是现在人们对引力的看法。这是爱因斯坦广义相对论的内容。爱因斯坦推测，也许我们看待事物的方式是错误的。牛顿认为卫星的轨道，抛射物的飞行，或苹果的坠落，都是由引力的神秘作用引起的复杂运动。但是爱因斯坦把这个问题应用到太空，认为在曲线时空的角度来看，卫星、子弹和苹果都遵循简单的运动，唯一遵循复杂运动的物体，是站在地球表面的我们。