廣義相對(duì)論等效原理的一些猜想

【摘? 要】相對(duì)論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一，是研究關(guān)于時(shí)空和引力的理論，它的提出給現(xiàn)代物理學(xué)帶來(lái)? ? 了革命性的變化。本文就以廣義相對(duì)論的等效原理為切口，作出猜想與假設(shè)。

【關(guān)鍵詞】廣義相對(duì)論;原理;猜想

廣義相對(duì)論是近代物理學(xué)上的一個(gè)大奇跡，廣義相對(duì)論有兩大基本假設(shè)，第一為廣義協(xié)變?cè)?，也叫廣義相對(duì)性原理。第二假設(shè)就是今天探討的主要內(nèi)容，等效原理。

那么什么是等效原理呢，等效原理說(shuō)的是慣性力場(chǎng)與引力場(chǎng)局部不可辨，即我們?cè)谌粘Ｉ钪?，在地球的引力?chǎng)中感受到的重力效果，某種意義上與物體作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力是等效的。

舉例，當(dāng)一個(gè)人站在地球表面時(shí)，會(huì)受到地球引力場(chǎng)的影響，產(chǎn)生一個(gè)方向指向地心的重力加速度，大小為9.8米每平方秒。假設(shè)在宇宙空間中乘坐一艘飛船，此時(shí)飛船以9.8米每平方秒的加速度向上作加速運(yùn)動(dòng)，那么在飛船中的你將會(huì)感受到一個(gè)慣性力，其效果與在地球表面上感受到的重力加速度等效，因此假設(shè)引力場(chǎng)中感受到的重力效果與物體作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力等效，這便是愛(ài)因斯坦的等效原理。

那么此時(shí)我們作一個(gè)更加激進(jìn)的假設(shè)，飛船作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力與地球引力場(chǎng)中的重力效果不僅僅只是等效的，而是完全等同等原理的，在此前提下作出猜想。

已知飛船之上，之所以會(huì)產(chǎn)生“引力”是由于飛船在相對(duì)于空間作方向向上的加速運(yùn)動(dòng)造成的。那么假設(shè)引力與慣性力完全是相同原理，則可以大膽推測(cè)，我們站在地球表面的時(shí)候，之所以會(huì)感受到“慣性力”也應(yīng)當(dāng)是由于我們?cè)诘厍虮砻鏁r(shí)相對(duì)于空間作向上的加速運(yùn)動(dòng)造成的，且在地表的我們相對(duì)于空間的加速大小的就是重力加速度的大小。

此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疑問(wèn)，我們?cè)诘乇淼臅r(shí)候并未有任何速度的變換，卻又怎么能說(shuō)在作一個(gè)向著空間的加速運(yùn)動(dòng)呢？

這是因?yàn)槲覀儍H僅只是相對(duì)于地球靜止而已，運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，既然我們?cè)诘乇硪呀?jīng)有了一個(gè)“慣性力”那么我們就一定是在向著空間作加速運(yùn)動(dòng)，之所以感受不到，原因與在宇宙飛船中的呆在一個(gè)密閉房間里分不清我們是在飛船中還是在地球表面的原因相同，是因?yàn)槲覀儫o(wú)法直接觀察到空間的運(yùn)動(dòng)。

因此可以作出大膽假設(shè)，地球周邊的空間并不是靜止的，由于空間受到地球質(zhì)量的影響，向著地球方向作加速運(yùn)動(dòng)的。地球就像一個(gè)空間聚集器一樣，在宇宙空間中，不斷的吞噬著地球周邊的空間，致使地球周?chē)目臻g場(chǎng)向著地球方向作加速運(yùn)動(dòng)。因此我們?cè)诘厍虮砻鏁r(shí)，空間場(chǎng)不斷的從我們身上加速流過(guò)，指向地球質(zhì)心。由于運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，則等同于地表上的所有人與物體相對(duì)著空間作一個(gè)方向指向天空的加速運(yùn)動(dòng)。

這里就要將牛頓第二定律，當(dāng)一個(gè)物體不遭受外力的影響時(shí)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不發(fā)生改變，將其拓展到相對(duì)于空間場(chǎng)。站在地表的我們，既然是相對(duì)于空間場(chǎng)作加速運(yùn)動(dòng)，那么就需要一個(gè)額外的力提供給我們，而這個(gè)力就是站在地表之時(shí)，地表給與我們的支撐力。此時(shí)相對(duì)于空間場(chǎng)，在地球表面的我們由于受到地表給予的支撐力，因此相對(duì)于空間場(chǎng)作與支撐力方向相同的加速運(yùn)動(dòng)，因此在地球表面，所有的物體都會(huì)感受到一個(gè)被稱(chēng)之為重力的“慣性力”。而當(dāng)一個(gè)物體在地球上空作自由落體運(yùn)動(dòng)的失重狀態(tài)時(shí)，由于沒(méi)有地表給予的支撐力，在忽略空氣阻力的理想情況下，其相對(duì)于空間場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是不變的，因此當(dāng)空間場(chǎng)相對(duì)地球質(zhì)心作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，該物體也隨著空間場(chǎng)向著地球質(zhì)心作一個(gè)加速運(yùn)動(dòng)，而這個(gè)現(xiàn)象被我們稱(chēng)之為引力效應(yīng)。由此我們也可以很容得出，引力是不存在的一個(gè)力，引力場(chǎng)是由于參照系相對(duì)于空間作變速運(yùn)動(dòng)造成的現(xiàn)象。

那么引力場(chǎng)產(chǎn)生的重力與慣性力完全相同么？答案卻又是否定的，雖然重力與慣性力性質(zhì)可以完全相同，都是由于相對(duì)空間場(chǎng)作變速運(yùn)動(dòng)造成的。以地球?yàn)槔?，在地球表面上感受到的重力時(shí)，雖然空間相對(duì)于地表的人或物作加速運(yùn)動(dòng)，但在地表上的人和物相對(duì)空間場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與速度是不隨著時(shí)間的變化而變化的。而在宇宙空間中乘坐一艘飛船時(shí)，飛船加速時(shí)產(chǎn)生與地球相同的“重力”時(shí)，飛船與飛船上的人和物相對(duì)于空間場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)速度是隨著時(shí)間而變化的，這就是慣性力場(chǎng)與引力場(chǎng)最大的區(qū)別。

這個(gè)時(shí)候再來(lái)討論廣義相對(duì)論的另外一條假設(shè)，就是廣義協(xié)變性原理。在廣義相對(duì)論的猜想中，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的不同參考系之間的關(guān)系應(yīng)當(dāng)是平權(quán)的，即參考系平權(quán)關(guān)系。但此時(shí)若加入了空間場(chǎng)的概念，尤其還是一個(gè)運(yùn)動(dòng)的空間場(chǎng)。那么相互運(yùn)動(dòng)的參考系之間的平權(quán)關(guān)系就不存在了，所有物體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，都需要以所處空間場(chǎng)作為相對(duì)運(yùn)動(dòng)的參考系，參考系相對(duì)于空間運(yùn)動(dòng)速度的大小影響著該參考系的時(shí)間流逝速度的快慢，且參考系相對(duì)于空間運(yùn)動(dòng)速度的變化大小（加速度大?。?，則相對(duì)著該參考系中重力加速度的大小，這點(diǎn)從很多方面可以得出來(lái)的。

首先討論雙生子佯謬，根據(jù)愛(ài)因斯坦提出的狹義相對(duì)論，時(shí)間的流動(dòng)速度與物體的相對(duì)速度有關(guān)。因此假設(shè)地球之上有一對(duì)雙生兄弟，其中一人跨上宇宙飛船作接近光速的長(zhǎng)程太空旅行，而另外一個(gè)則留在地球，結(jié)果當(dāng)旅行者回到地球之后，發(fā)現(xiàn)他比留在地球的兄弟更加年輕。但由于參考系之間的平權(quán)關(guān)系，且參考系之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系是相對(duì)的，因此，若以旅行者作為參考系之時(shí)，將會(huì)得到一個(gè)完全不同結(jié)果。因?yàn)樵诼眯姓呖磥?lái)，他的兄弟在地球相對(duì)于飛船也在以接近光速相對(duì)著飛船作運(yùn)動(dòng)，因此留在地球的兄弟應(yīng)該更年輕才對(duì)。而最終給予的答案卻是不管以誰(shuí)為參考系，在飛船上的旅行者一定更年輕，因?yàn)楠M義相對(duì)論只適用于勻速參考系，而飛船要飛回地球作對(duì)比需要經(jīng)歷加速與減速的過(guò)程，因此不適用于狹義相對(duì)論，經(jīng)歷更復(fù)雜的計(jì)算得出這個(gè)結(jié)果，個(gè)人最終依然有些難以接受。

但若是加入了運(yùn)動(dòng)的空間場(chǎng)概念，這個(gè)猜想就很容易得到解釋?zhuān)此袇⒖枷档倪\(yùn)動(dòng)都要相對(duì)于所處的空間場(chǎng)為標(biāo)準(zhǔn)參考系，相對(duì)于所處的空間場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度的快慢，影響著時(shí)間的流逝速度快慢。相對(duì)著空間場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生改變，則必然存在“慣性力”或者說(shuō)產(chǎn)生引力場(chǎng)效應(yīng)。

因此，當(dāng)旅行者以接近光速離開(kāi)地球旅行，則要考慮到其接近光速必須是相對(duì)于空間場(chǎng)，而不是地球，再計(jì)算考慮地球上的兄弟相對(duì)空間場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度與狀態(tài)，作出對(duì)比。地球上的兄弟相對(duì)于空間場(chǎng)運(yùn)動(dòng)對(duì)比光速運(yùn)動(dòng)速度更低，則時(shí)間流速更快。飛船中的旅行著一直相對(duì)空間場(chǎng)速度更高，則時(shí)間流逝速度更快慢，因此當(dāng)旅行者回到地球?qū)?huì)更年輕。

那么現(xiàn)在根據(jù)實(shí)際的一些實(shí)驗(yàn)效果討論，1971年美國(guó)科學(xué)家進(jìn)行的原子鐘飛行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，飛機(jī)繞赤道向東飛行一圈時(shí)間比地面慢大約59納秒，向西方向繞行者時(shí)間流逝速度比地面快了273納秒左右。科學(xué)家由此進(jìn)一步驗(yàn)證了狹義相對(duì)論的時(shí)間流速問(wèn)題。

但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了一個(gè)結(jié)果，那就是參考系不平權(quán)問(wèn)題，根據(jù)查詢(xún)到的計(jì)算方式，很容易得出，科學(xué)家在計(jì)算速度與時(shí)間的關(guān)系，采用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考系，那就是以地球質(zhì)心作為相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)算參考系。若以不同的參考系，則計(jì)算結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)很大不同，例如以地表上的時(shí)鐘，或者以飛機(jī)上的時(shí)鐘作為參考系，那么實(shí)驗(yàn)結(jié)果都將是混亂而不符合的。因此驗(yàn)證了參考系必須不平權(quán)，所有參考系的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度必然有一個(gè)共同參考系，那就是參考系所處空間場(chǎng)。

再來(lái)對(duì)引力造成的時(shí)間膨脹現(xiàn)象來(lái)舉例子，根據(jù)現(xiàn)在用的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，驗(yàn)證了在地球高空的時(shí)間流動(dòng)速度比地表更快。這是由于地球周?chē)目臻g是向著地球加速運(yùn)動(dòng)的。因此在地球的引力場(chǎng)中，越是接近地表位置相對(duì)于空間的運(yùn)動(dòng)速度越快，時(shí)間流逝速度越慢。因此，可以不存在引力造成的時(shí)間膨脹效應(yīng)，GPS導(dǎo)航衛(wèi)星軌道之所以時(shí)間流逝速度更快，也僅僅是由于速度造成的時(shí)間膨脹效應(yīng)，對(duì)比地球表面，GPS衛(wèi)星相對(duì)空間場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度更慢。

那么運(yùn)動(dòng)的空間場(chǎng)到底是什么呢，我們科學(xué)有觀測(cè)或者提出類(lèi)似的物質(zhì)嗎？答案是有的，那就是暗能量。首先我們來(lái)了解一下什么是暗能量 。暗能量是科學(xué)家為了解釋宇宙膨脹的事實(shí)，所提出來(lái)的一種物質(zhì)，目前未被直接觀測(cè)到。但在科學(xué)家的預(yù)言中暗能量不會(huì)吸收反射或者輻射光，充溢著整個(gè)空間，具有負(fù)壓強(qiáng)的能量，那么現(xiàn)在將暗能量的性質(zhì)代入空間場(chǎng)。

引力的產(chǎn)生是由于宇宙之中充斥遍布著暗能量，暗能量具備負(fù)壓，有質(zhì)量的物質(zhì)，會(huì)通過(guò)某種規(guī)律，吸附暗能量。越多的物質(zhì)會(huì)吸附越多的暗能量，物質(zhì)吸附暗能量的量與物質(zhì)的量是正比關(guān)系。當(dāng)暗能量被物質(zhì)吸附，就會(huì)形成暗能量低壓的地區(qū)。由于暗能量之間具有負(fù)壓，附近的暗能量就會(huì)流向低壓地區(qū)，補(bǔ)充被吸附所缺失的暗能量。且由于星體在空間中的圓球體結(jié)構(gòu)，暗能量必然是加速向星體運(yùn)動(dòng)的。這就直接對(duì)應(yīng)了開(kāi)頭提到的，物質(zhì)吞噬空間場(chǎng)的概念。因此暗能量的負(fù)壓不僅僅是造成宇宙膨脹的動(dòng)力來(lái)源，同時(shí)也應(yīng)該是引力產(chǎn)生的來(lái)源，宇宙膨脹的斥力與引力本質(zhì)相同。

作者簡(jiǎn)介：黃歡（1990.02-），男，福建福清人，福建福清，350309，科普愛(ài)好者。