等效原理認為引力和加速度等效,那地球兩端的人會相互遠離嗎?

2021-01-11 科學探索家

這是對「引力和加速度是等效」的這句話的過度理解導致的,我們先通過一則思想實驗來引出這句話的來源。

這個思想實驗被稱為「愛因斯坦電梯」

假設小明站在一個電梯內,出於某些原因,電梯突然豎直的往下掉落,從地面看來,電梯的下落加速度等於重力加速度,也就是說:小明在電梯內是處於完全失重狀態,此時他鬆開手中的電筒,發現這個電筒並沒有往電梯底部運動,當然了,這一點很好理解,因為電梯內部的一切物體都是處於失重狀態。

但如果我們改變條件,假設小明並不知情電梯失去了外源拉力,甚至他都不知情自己身處的是什麼地方,那麼他將對此刻身體的感覺以及「漂浮」的電筒作何解釋呢?很自然的想法,他可能會覺得自己身處太空,在一個不受引力,做慣性運動的小容器內。

因此我們可以得到一個結論:一切力學實驗都無法證明你是身處於一個自由下落的電梯,還是一個不受引力影響的慣性容器內。

反過來,我們還可以得到:一切力學實驗都無法證明你是處於地球表面,還是一個在太空中作勻加速(數值等同於地表重力加速度)運動飛船內。

這正是題目中「引力與加速度等效」這一說法的來源。

而上述的結論正是所謂的「弱等效原理」的描述。而愛因斯坦還對其進行了升級,將一切力學實驗改為一切物理實驗,稱為「愛因斯坦等效原理」。

由此可以看出,等效原理並沒有說「處於引力場中的物質,其實也在做加速運動」(引號裡的話正是題目中所表達的意思,否則也不會認為地球兩端的人會相互遠離了)

再額外提兩點:

①前面那個思想實驗,之所以提到小明手中拿的是電筒,正是為了順便提一下「光線彎曲」這一現象。因為自由下落的電梯與慣性運動的容器不加以區分,因此在這兩者內部所做的實驗結論都是相同的。

此時我們假設電筒是打開的,先來看慣性運動的容器內部,顯而易見,光束必定走的是一條直線,那麼這個結論也在自由下落的電梯內成立(小明看到的也是直線)。但對於地面觀察者來說,光束走直線的結論不成立,這一點很容易理解,因為電梯在地面系內是運動的,光束從一端飛向另一端,自然就成了彎線。

②雖然等效原理似乎明確表示了「引力場和加速度等效」,但這並不等同於「作加速運動的飛船內部真實產生了引力場」。

這一誤解更多地出現在關於「雙生子佯謬」的討論中,有人認為飛船經歷了加速過程,因此飛船內部等同於有引力場,而廣義相對論認為引力場會對時間產生影響。

但實際上飛船內部自始至終都沒有產生真正的引力場,因為廣義相對論認為引力只是時空彎曲的表現,而飛船在空曠的宇宙中飛行,並不涉及彎曲時空,即便考慮到飛船自身產對時空的影響,那也不足以和地球上的兄弟在年齡上產生那麼大的差距。

判斷時空是否彎曲,可以通過潮汐效應是否成立來進行。飛船內部所謂的「引力場」不產生潮汐效應,因此是一種感覺上的引力;而真正由時空彎曲表現出的引力,必定會產生潮汐效應(只有明不明顯之分)。所以雙生子佯謬是屬於狹義相對論的問題。(注意,狹義相對論可以討平直時空下的任意運動)

總的來說,標題的問題是因為對等效原理產生了誤解才有的。

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