广义相对论的基本思想

广义相对论的基本思想

摘要:所有参考物体,不论他们的运动状态如何,对于描述自然现象(表述普遍的自如定律)是有效的.”这就是爱因斯坦"广义相对性原理"的一种叙述.所有参考系在描述普遍的自然界定律时是等效的,而不是这些参考系在物理上是没有区别的。关键词:广义相对论

引言

自然界中并不广泛地存在一种优越的,专能体现自然规律的特殊参考系.这就表明,自然界中存在的一切参考系(物)都应能同样有效地体现出自然规律,即"描述上等效".这是广义相对论中蕴含着的一种哲学思想.

1.非惯性系与弯曲时空

（1）匀速转动：一种不需要由外力维持，而且在自然界中广泛存在的非惯性系。（2）在同一非惯性系中没有统一的时间，各处时钟的快慢是不同的，即，在同一惯性系中各处都有当地的时间进程。在非惯性系中不但空间是弯曲了，而且时间的进程也复杂化了。比如：同一圆周上的钟，钟慢效应是相同的，应能互相校准，其实不然。这一情况与“佯谬”有关。

2.牛顿桶与马赫原理

牛顿为了证明绝对空间的存在和加速度的绝对性，曾提出了一个著名的假想实验——牛顿桶实验：一桶水旋转，当桶还没有将角动量传递给水之前，水是静止的，水面呈水平状，这时水和桶之间有相对运动，以后，水随桶一起旋转，水和桶之间没有相对运动，水面呈凹形。此实验表明，水面呈水平还是凹形，与水和桶之间的相对运动无关，而与水本身是否在旋转，也就是相对于“绝对空间”是否在旋

转有关。努道认为:“转动必须看是绝对运动”。这个例子十分有力地否定了加速运动的相对性，而证实了绝对空间的存在。对爱因斯坦的思想具有重大影响的奥地利物理学家兼哲学家马赫对怒道的观点提出了反对意见。他只承认相对运动，但不承认存在绝对运动。他认为水面之所以呈凹形，是由于水相对于宇宙中无数的恒星和天体有相对转动而引起的。马赫认为，物体的惯性不是物体本身所固有的属性。而是由宇宙中无数巨大的天体对该物体的作用所产生的。

爱因斯坦接受了马赫思想中正确的一面，认定了引力是建立非惯性系理论的关键所在。要解决引力问题必须考虑非惯性系的理论.

3.惯性质量和引力质量

从哲学观上讲,质量是所含物质多少的度量.度量必须根据某些可度量的属性(效应).质量的主要效应是具有惯性效应和引力效应,此外,前面还证明了每一份质量都联系着一份巨大的能量.这些属性都可以用来度量质量.

惯性质量m1是通过牛顿第二定律定义的：

F= m1a 即m1=F/a

即惯性质量等于作用在物体上的力与所产生的家速度之比。

引力质量m2是通过万有引力定律定义的，重力。

W=GMm2/R^2

式中M为地球的引力质量，G为引力常数，R为地球半径的“平均半径”令g=GM/R^2

则有W=m2g或m2=W/g

G为重力加速度，为常数。

用不同的物质做类似实验，都证明了落体加速度是常数，从而证明了引力质量和

惯性质量是相等的。但是m1和m2确实是完全不同的属性，是通过不同的基本定律来测量的。但可以认为惯性质量等于引力质量是一个已经精确证实了的实验。

4.场论观点

（1）惯性质量等于引力质量一般被称为”弱等效原理”。在电学中，不再把库伦定律理解为两个电荷不通过任何媒介的“超距作用”，而是理解为一个电荷在周围空间中产生电场，此电场在喝第二个电荷发生相互作用。这种场的观点是著名的英国物理学家法拉第首先提出的。场的观点使法拉第和麦克斯韦能在19世纪建立了极为优美的电磁理论。现在人们都知道，电磁场是一种客观实在，它是由电荷产生的，又能作用于电荷。与此类推，我们认为引力场也是一种客观实在。物质在其周围空间产生引力场，而引力场又能作用于场中的物质。

（2）现代物理哲学都认为，只有相互接触才能相互作用，相距很远的物质若不通过媒介（场）是不能相互作用的。引力场的主要特点是：场中的物质都受到同样的加速度。原因就是惯性质量等于引力质量与电场和磁场对比，引力场显示出一直十分显著的性质，。在一个引力场的唯一影响下运动着的物体得到了一个加速度，这个加速度与物体的材料和物理状态都毫无关系。

5.爱因斯坦升降机和等效原理

-关于升降机的一个实验，两次判断错误使无力学家认识到一个重要的事实：升降机停在地球引力场中和升降机在无引力场的太空中以加速度g运动，这两种情况在升降机中是无法区别的。物理学家得到了一条重要的物理原理：在引力场中自由落体的升降机中是一个不存在引力的局域的惯性系。或者说：在任何引力场中的任何一个局域中，可以借助一个自由降落坐标系将引力场消除，而造成一个

局域的惯性系。因此和狭义相对论相容的一切物理定律在其中皆成立。

这就是爱因斯坦的“等效原理”，常称为“强等效原理”。所有局部的,自由下落的，无旋转实验室都是完全等效的，而前面的惯性质量等于引力质量则称为“弱等效原理”根据弱等效原理只能证明自由下落升降机中的一切物体都以同样的加速度随升降机一起下落。

主要结论：

广义相对论原理对自然界定律做了一些广泛而具明确性的限制。广义相对论中所有参考物体,不论他们的运动状态如何,对于描述自然现象(表述普遍的自如定律)是有效的.”这就是爱因斯坦"广义相对性原理"的一种叙述.所有参考系在描述普遍的自然界定律时是等效的,而不是这些参考系在物理上是没有区别的

参考文献：

《狭义与广义相对论浅说》【美】爱因斯坦（著）杨润殷（译）胡刚复（校）《相对论导引》赵展岳（著）

《物理学》