广义相对论等效原理的一些猜想

【摘  要】相对论是现代物理学的两大基石之一，是研究关于时空和引力的理论，它的提出给现代物理学带来    了革命性的变化。本文就以广义相对论的等效原理为切口，作出猜想与假设。

【关键词】广义相对论;原理;猜想

广义相对论是近代物理学上的一个大奇迹，广义相对论有两大基本假设，第一为广义协变原理，也叫广义相对性原理。第二假设就是今天探讨的主要内容，等效原理。

那么什么是等效原理呢，等效原理说的是惯性力场与引力场局部不可辨，即我们在日常生活中，在地球的引力场中感受到的重力效果，某种意义上与物体作加速运动时产生的惯性力是等效的。

举例，当一个人站在地球表面时，会受到地球引力场的影响，产生一个方向指向地心的重力加速度，大小为9.8米每平方秒。假设在宇宙空间中乘坐一艘飞船，此时飞船以9.8米每平方秒的加速度向上作加速运动，那么在飞船中的你将会感受到一个惯性力，其效果与在地球表面上感受到的重力加速度等效，因此假设引力场中感受到的重力效果与物体作加速运动时产生的惯性力等效，这便是爱因斯坦的等效原理。

那么此时我们作一个更加激进的假设，飞船作加速运动时产生的惯性力与地球引力场中的重力效果不仅仅只是等效的，而是完全等同等原理的，在此前提下作出猜想。

已知飞船之上，之所以会产生“引力”是由于飛船在相对于空间作方向向上的加速运动造成的。那么假设引力与惯性力完全是相同原理，则可以大胆推测，我们站在地球表面的时候，之所以会感受到“惯性力”也应当是由于我们在地球表面时相对于空间作向上的加速运动造成的，且在地表的我们相对于空间的加速大小的就是重力加速度的大小。

此时会产生一个疑问，我们在地表的时候并未有任何速度的变换，却又怎么能说在作一个向着空间的加速运动呢？

这是因为我们仅仅只是相对于地球静止而已，运动是相对的，既然我们在地表已经有了一个“惯性力”那么我们就一定是在向着空间作加速运动，之所以感受不到，原因与在宇宙飞船中的呆在一个密闭房间里分不清我们是在飞船中还是在地球表面的原因相同，是因为我们无法直接观察到空间的运动。

因此可以作出大胆假设，地球周边的空间并不是静止的，由于空间受到地球质量的影响，向着地球方向作加速运动的。地球就像一个空间聚集器一样，在宇宙空间中，不断的吞噬着地球周边的空间，致使地球周围的空间场向着地球方向作加速运动。因此我们在地球表面时，空间场不断的从我们身上加速流过，指向地球质心。由于运动是相对的，则等同于地表上的所有人与物体相对着空间作一个方向指向天空的加速运动。

这里就要将牛顿第二定律，当一个物体不遭受外力的影响时，其运动状态不发生改变，将其拓展到相对于空间场。站在地表的我们，既然是相对于空间场作加速运动，那么就需要一个额外的力提供给我们，而这个力就是站在地表之时，地表给与我们的支撑力。此时相对于空间场，在地球表面的我们由于受到地表给予的支撑力，因此相对于空间场作与支撑力方向相同的加速运动，因此在地球表面，所有的物体都会感受到一个被称之为重力的“惯性力”。而当一个物体在地球上空作自由落体运动的失重状态时，由于没有地表给予的支撑力，在忽略空气阻力的理想情况下，其相对于空间场的运动状态是不变的，因此当空间场相对地球质心作加速运动时，该物体也随着空间场向着地球质心作一个加速运动，而这个现象被我们称之为引力效应。由此我们也可以很容得出，引力是不存在的一个力，引力场是由于参照系相对于空间作变速运动造成的现象。

那么引力场产生的重力与惯性力完全相同么？答案却又是否定的，虽然重力与惯性力性质可以完全相同，都是由于相对空间场作变速运动造成的。以地球为例子，在地球表面上感受到的重力时，虽然空间相对于地表的人或物作加速运动，但在地表上的人和物相对空间场的运动状态与速度是不随着时间的变化而变化的。而在宇宙空间中乘坐一艘飞船时，飞船加速时产生与地球相同的“重力”时，飞船与飞船上的人和物相对于空间场的运动状态速度是随着时间而变化的，这就是惯性力场与引力场最大的区别。

这个时候再来讨论广义相对论的另外一条假设，就是广义协变性原理。在广义相对论的猜想中，相对运动的不同参考系之间的关系应当是平权的，即参考系平权关系。但此时若加入了空间场的概念，尤其还是一个运动的空间场。那么相互运动的参考系之间的平权关系就不存在了，所有物体作相对运动时，都需要以所处空间场作为相对运动的参考系，参考系相对于空间运动速度的大小影响着该参考系的时间流逝速度的快慢，且参考系相对于空间运动速度的变化大小（加速度大小），则相对着该参考系中重力加速度的大小，这点从很多方面可以得出来的。

首先讨论双生子佯谬，根据爱因斯坦提出的狭义相对论，时间的流动速度与物体的相对速度有关。因此假设地球之上有一对双生兄弟，其中一人跨上宇宙飞船作接近光速的长程太空旅行，而另外一个则留在地球，结果当旅行者回到地球之后，发现他比留在地球的兄弟更加年轻。但由于参考系之间的平权关系，且参考系之间的运动关系是相对的，因此，若以旅行者作为参考系之时，将会得到一个完全不同结果。因为在旅行者看来，他的兄弟在地球相对于飞船也在以接近光速相对着飞船作运动，因此留在地球的兄弟应该更年轻才对。而最终给予的答案却是不管以谁为参考系，在飞船上的旅行者一定更年轻，因为狭义相对论只适用于匀速参考系，而飞船要飞回地球作对比需要经历加速与减速的过程，因此不适用于狭义相对论，经历更复杂的计算得出这个结果，个人最终依然有些难以接受。

但若是加入了运动的空间场概念，这个猜想就很容易得到解释，即所有参考系的运动都要相对于所处的空间场为标准参考系，相对于所处的空间场的运动速度的快慢，影响着时间的流逝速度快慢。相对着空间场的运动速度发生改变，则必然存在“惯性力”或者说产生引力场效应。

因此，当旅行者以接近光速离开地球旅行，则要考虑到其接近光速必须是相对于空间场，而不是地球，再计算考虑地球上的兄弟相对空间场的运动速度与状态，作出对比。地球上的兄弟相对于空间场运动对比光速运动速度更低，则时间流速更快。飞船中的旅行着一直相对空间场速度更高，则时间流逝速度更快慢，因此当旅行者回到地球将会更年轻。

那么现在根据实际的一些实验效果讨论，1971年美国科学家进行的原子钟飞行实验验证，飞机绕赤道向东飞行一圈时间比地面慢大约59纳秒，向西方向绕行者时间流逝速度比地面快了273纳秒左右。科学家由此进一步验证了狭义相对论的时间流速问题。

但是这个实验结果验证了一个结果，那就是参考系不平权问题，根据查询到的计算方式，很容易得出，科学家在计算速度与时间的关系，采用了一个标准参考系，那就是以地球质心作为相对运动速度的计算参考系。若以不同的参考系，则计算结果将会出现很大不同，例如以地表上的时钟，或者以飞机上的时钟作为参考系，那么实验结果都将是混乱而不符合的。因此验证了参考系必须不平权，所有参考系的相对运动速度必然有一个共同参考系，那就是参考系所处空间场。

再来对引力造成的时间膨胀现象来举例子，根据现在用的GPS导航系统，验证了在地球高空的时间流动速度比地表更快。这是由于地球周围的空间是向着地球加速运动的。因此在地球的引力场中，越是接近地表位置相对于空间的运动速度越快，时间流逝速度越慢。因此，可以不存在引力造成的時间膨胀效应，GPS导航卫星轨道之所以时间流逝速度更快，也仅仅是由于速度造成的时间膨胀效应，对比地球表面，GPS卫星相对空间场的运动速度更慢。

那么运动的空间场到底是什么呢，我们科学有观测或者提出类似的物质吗？答案是有的，那就是暗能量。首先我们来了解一下什么是暗能量 。暗能量是科学家为了解释宇宙膨胀的事实，所提出来的一种物质，目前未被直接观测到。但在科学家的预言中暗能量不会吸收反射或者辐射光，充溢着整个空间，具有负压强的能量，那么现在将暗能量的性质代入空间场。

引力的产生是由于宇宙之中充斥遍布着暗能量，暗能量具备负压，有质量的物质，会通过某种规律，吸附暗能量。越多的物质会吸附越多的暗能量，物质吸附暗能量的量与物质的量是正比关系。当暗能量被物质吸附，就会形成暗能量低压的地区。由于暗能量之间具有负压，附近的暗能量就会流向低压地区，补充被吸附所缺失的暗能量。且由于星体在空间中的圆球体结构，暗能量必然是加速向星体运动的。这就直接对应了开头提到的，物质吞噬空间场的概念。因此暗能量的负压不仅仅是造成宇宙膨胀的动力来源，同时也应该是引力产生的来源，宇宙膨胀的斥力与引力本质相同。

作者简介：黄欢（1990.02-），男，福建福清人，福建福清，350309，科普爱好者。