广义相对论中的等效原理,引力质量等于惯性质量,怎么去通俗理解?

爱因斯坦广义相对论和牛顿理论,都是研究引力的理论,牛顿对行星运行研究,取得了巨大的成功。

有人说:正因为有牛顿的存在,使得地球上的凡夫俗子,首次接近了诸神!

但是,牛顿的理论存在一定的局限性,比方说牛顿运动定理当中:F = m a

这个公式当中的质量,对应的是惯性质量,而牛顿的万有引力定理中,F等于万有引力常数,乘以两个物体质量的乘积,除以r的平方,这里质量对应的是引力质量

这两种质量,定义完全不同,只不过牛顿直接拿来用了,取得了成功。

对于质量它是否相等,它为什么相等?其中很多深刻的原因,牛顿并没有给予解答。

对于万有引力定理,还存在一些问题:比方说引力是如何产生的?

牛顿没有办法解答,所以说牛顿理论,有一定局限。

在太阳系对几大行星的观察当中,发现有一颗行星,它的轨道运行比较奇特,那就是离太阳最近的那颗水星。

科学家试图用牛顿理论去寻找在太阳和水星之间,另一颗小行星,这颗小行星的名字已经取好了,是以古希腊冶炼之神来命名的这颗小行星。

但是在牛顿的框架下,实际上始终是没有找到。

研究引力的另外一个理论是爱因斯坦所提出的广义相对论

广义相对论提出来之后,他认为时空不仅仅是一个整体,同时时空还是一个动力学,只要有物质的存在,它就会造成时空的弯曲。当然,时空弯曲,也会影响到物体运动。

广义相对论是建立在等效原理和广义协变原理的基础之上,它的等效原理非常简单。就是回答了,牛顿理论当中没有解答的问题,它认为引力质量和惯性质量是等效的。

另外一个原理是协变原理,它认为物理过程在一切坐标系当中,都具有相同的形式。

对于等效原理爱因斯坦是通过,构造一个著名的假想电梯实验来实现的。

爱因斯坦假想电梯实验

有一个观测者封闭在电梯之内,如果电梯是静止在均匀的引力中,里面的人所用任何测量行为都等于在真空中,拿着电梯朝着反方向以相同的加速度大小运行的效果。

还可以取另外一种情况,很可能电梯是在引力场中做自由落体的运动,而这个过程等效于这个电梯在真空当中做匀速运动或者是静止运动。加速度与重力等效。

通俗地说

就是在一个系统内部,任何科学仪器都无法判断质量所产生的“重力”,到底是由加速度产生的还是由万有引力产生。

所以按照这样一个实验,认为引力质量惯性质量是无法区分的。

到现在为止,也没有找到差异。

基于等效原理,我们可以非常简单地理解光线在引力场当中产生的偏折,也可以理解在引力场当中电磁波产生的引力红移,还可以基于广义相对论对行星的运动加以理解。

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