广义相对论的前夜，科学拼图上的碎片——等效性原理

前文我跟各位小伙伴们探讨了引力质量和惯性质量相等。并且回顾了以厄缶为代表的科学家们的艰苦努力，用不断改进实验精度的扭摆实验去严格验证引力质量与惯性质量之间的关系。在此，再次给这些伟大的科学家们献上我的膝盖。

今天我们要继续讨论的是，在引力质量等于惯性质量这个前提下，引力场与惯性场等效，这被后来的科学家称为等效原理。需要注意的是，等效原理的原意是引力场与惯性场等效，而不是指引力质量与惯性质量相等。

狭义相对论是以四维平直空间中的匀速直线运动为考察对象的，适用于一切惯性系，但无法说明非惯性系中的运动现象。为了克服狭义相对论的不足，将狭义相对论推广到具有加速度的非惯性系中，爱因斯坦运用了升降机思想实验为人们打开思路这个实验非常清晰地表达了他的等效原理思想。

设想一个观测者处在一个封闭的升降机内，得不到升降机外部的任何信息。当他看到升降机内的一切物体都在自由下落，下落加速度a与物体的大小及物质的组成无关时（此时，他自己也感受到重力Ma,M是观测者自己的质量），他无法断定自己处在下面情况的哪种：

1、升降机是静止在一个引力场强度为a的星球表面；

2、升降机在无引力场的太空中以加速度a运动。

当观测者感到自己和升降机内的一切物体都处于失重状态是，他同样无法断定自己在下列情况中的哪一种：

1、升降机在引力场中自由下落；

2、升降机在无引力场的太空中做惯性运动。

造成上面现象的原因，是无法用任何力学实验来区分引力场和惯性场，也就是说等效性原理造成了上面现象的不可区分性。

然而，引力场与惯性场还是有不同之处的，小编跟各位小伙伴分析一下:

1、引力场与惯性场在大范围，或者说有限大小的时空范围内不等效。这是因为，惯性离心力与半径成正比，而引力与半径的平方成反比。所以说，二者在打的空间范围内不可能等效。

2、引力场对时空产生内禀效应，使时空弯曲，而惯性场不产生这种效应，不改变时空的曲率。

3、引力产生于物体间的相互作用，有反作用力；惯性力与物体之间的相互作用无关，没有反作用力；

4、惯性场可以通过一个整体左边变换加以消除，引力场却不能，所以说，引力场是永久力场，而惯性场是非永久力场。

从上面的分析我们可以看出，等效原理其实只是一个局部原理。后人从等效原理中推广处强弱两种等效原理：

1、弱等效原理：引力场与惯性场的力学效应是局部不可分辨的；

2、强等效原理：引力场与惯性场的一切物理效应都是局部不可分辨的。

必须说明的是，广义相对论是以强等效原理为基础的。弱等效原理由厄缶等科学家经过几十年的高精度实验证明了是正确的，而强等效原理，目前还没有实验验证。我想这也是很多科学家在质疑广义相对论的一个点。毕竟科学讲究的就是这些，事实胜于雄辩，实验鉴定真理。我想所有真正的科学家都会拥有这样严格的科学精神，这也是科学建立的基础。

咳，小编不厌其烦的在每篇文章里都会强调这点，实际观测、实践检验。以已有的实验现象和数据出发，才是科学理论的正确起点，也是物理和数学的分界线。那些有点数学基础的，就不要瞎猜测了，如果有想法，还是要回到实验和检测当中去，否则就是胡思乱想，容易生病滴。

强等效原理告诉我们，在无穷小的范围内，引力场与惯性场的一切物理效应都不可区分。所以，引力场中一个自由下落的、无自转、无穷小参考系，等价于无引力场太空中做惯性运动的无穷小参考系。这有意味着，严格的惯性系在理论上是可以实现的。强等效原理保证了，在引力场中的每一点都可以引入这样的局部惯性系。从几何角度说，就是沿着测地线做无自转运动的无穷小参考系可以一直保持是一个局部惯性系。

另外，引力场中的这种自由下落惯性系，在外部观测者看来，即不是静止也不是做直线运动；相反，却是加速参考系，可见，加速运动也没有绝对意义。当然了，这是在三维空间中的说法。不过有很多人认为，四维加速度，即观测者自身感受到惯性力时的固有加速度有绝对意义。固有加速度为零的观测者沿着测地线运动，即惯性运动。固有加速度不为零的观测者不沿着测地线运动，即不做惯性运动。

从时空中同一点出发，又在时空中另一个点会和的所有观测者中，做惯性运动的观测者经历的时间最长，从几何学的角度来讲就是连接这两点的所有世界线中以测地线为最长。这一点是绝对的，有绝对的物理意义和几何意义，双生子详谬反应的就是这种结论。

然而，爱因斯给出了不同的理解，他认为四维加速度也不是绝对的，绝对速度不可测定，是一切惯性系平权的先决条件；绝对加速度的不可测定，则是一切参考系的先决条件。在爱因斯坦看来，强等效原理不是广义相对性原理的充分条件，但却是必要条件。

我是郭哥论道，一个致力于科普相对论、量子力学、计算机、数学，让深奥的科学理论通俗易懂起来、让科学更有趣的科普搬运工。耐心看完的小伙伴，留个言、点个赞加个关注再走呗。