廣義相對論等效原理的一些猜想

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

【關鍵詞】廣義相對論;原理;猜想

廣義相對論是近代物理學上的一個大奇跡，廣義相對論有兩大基本假設，第一為廣義協變原理，也叫廣義相對性原理。第二假設就是今天探討的主要內容，等效原理。

那么什么是等效原理呢，等效原理說的是慣性力場與引力場局部不可辨，即我們在日常生活中，在地球的引力場中感受到的重力效果，某種意義上與物體作加速運動時產生的慣性力是等效的。

舉例，當一個人站在地球表面時，會受到地球引力場的影響，產生一個方向指向地心的重力加速度，大小為9.8米每平方秒。假設在宇宙空間中乘坐一艘飛船，此時飛船以9.8米每平方秒的加速度向上作加速運動，那么在飛船中的你將會感受到一個慣性力，其效果與在地球表面上感受到的重力加速度等效，因此假設引力場中感受到的重力效果與物體作加速運動時產生的慣性力等效，這便是愛因斯坦的等效原理。

那么此時我們作一個更加激進的假設，飛船作加速運動時產生的慣性力與地球引力場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，之所以會產生“引力”是由于飛船在相對于空間作方向向上的加速運動造成的。那么假設引力與慣性力完全是相同原理，則可以大膽推測，我們站在地球表面的時候，之所以會感受到“慣性力”也應當是由于我們在地球表面時相對于空間作向上的加速運動造成的，且在地表的我們相對于空間的加速大小的就是重力加速度的大小。

此時會產生一個疑問，我們在地表的時候并未有任何速度的變換，卻又怎么能說在作一個向著空間的加速運動呢？

這是因為我們僅僅只是相對于地球靜止而已，運動是相對的，既然我們在地表已經有了一個“慣性力”那么我們就一定是在向著空間作加速運動，之所以感受不到，原因與在宇宙飛船中的呆在一個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，是因為我們無法直接觀察到空間的運動。

因此可以作出大膽假設，地球周邊的空間并不是靜止的，由于空間受到地球質量的影響，向著地球方向作加速運動的。地球就像一個空間聚集器一樣，在宇宙空間中，不斷的吞噬著地球周邊的空間，致使地球周圍的空間場向著地球方向作加速運動。因此我們在地球表面時，空間場不斷的從我們身上加速流過，指向地球質心。由于運動是相對的，則等同于地表上的所有人與物體相對著空間作一個方向指向天空的加速運動。

這里就要將牛頓第二定律，當一個物體不遭受外力的影響時，其運動狀態不發生改變，將其拓展到相對于空間場。站在地表的我們，既然是相對于空間場作加速運動，那么就需要一個額外的力提供給我們，而這個力就是站在地表之時，地表給與我們的支撐力。此時相對于空間場，在地球表面的我們由于受到地表給予的支撐力，因此相對于空間場作與支撐力方向相同的加速運動，因此在地球表面，所有的物體都會感受到一個被稱之為重力的“慣性力”。而當一個物體在地球上空作自由落體運動的失重狀態時，由于沒有地表給予的支撐力，在忽略空氣阻力的理想情況下，其相對于空間場的運動狀態是不變的，因此當空間場相對地球質心作加速運動時，該物體也隨著空間場向著地球質心作一個加速運動，而這個現象被我們稱之為引力效應。由此我們也可以很容得出，引力是不存在的一個力，引力場是由于參照系相對于空間作變速運動造成的現象。

那么引力場產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可以完全相同，都是由于相對空間場作變速運動造成的。以地球為例子，在地球表面上感受到的重力時，雖然空間相對于地表的人或物作加速運動，但在地表上的人和物相對空間場的運動狀態與速度是不隨著時間的變化而變化的。而在宇宙空間中乘坐一艘飛船時，飛船加速時產生與地球相同的“重力”時，飛船與飛船上的人和物相對于空間場的運動狀態速度是隨著時間而變化的，這就是慣性力場與引力場最大的區別。

這個時候再來討論廣義相對論的另外一條假設，就是廣義協變性原理。在廣義相對論的猜想中，相對運動的不同參考系之間的關系應當是平權的，即參考系平權關系。但此時若加入了空間場的概念，尤其還是一個運動的空間場。那么相互運動的參考系之間的平權關系就不存在了，所有物體作相對運動時，都需要以所處空間場作為相對運動的參考系，參考系相對于空間運動速度的大小影響著該參考系的時間流逝速度的快慢，且參考系相對于空間運動速度的變化大小（加速度大小），則相對著該參考系中重力加速度的大小，這點從很多方面可以得出來的。

首先討論雙生子佯謬，根據愛因斯坦提出的狹義相對論，時間的流動速度與物體的相對速度有關。因此假設地球之上有一對雙生兄弟，其中一人跨上宇宙飛船作接近光速的長程太空旅行，而另外一個則留在地球，結果當旅行者回到地球之后，發現他比留在地球的兄弟更加年輕。但由于參考系之間的平權關系，且參考系之間的運動關系是相對的，因此，若以旅行者作為參考系之時，將會得到一個完全不同結果。因為在旅行者看來，他的兄弟在地球相對于飛船也在以接近光速相對著飛船作運動，因此留在地球的兄弟應該更年輕才對。而最終給予的答案卻是不管以誰為參考系，在飛船上的旅行者一定更年輕，因為狹義相對論只適用于勻速參考系，而飛船要飛回地球作對比需要經歷加速與減速的過程，因此不適用于狹義相對論，經歷更復雜的計算得出這個結果，個人最終依然有些難以接受。

但若是加入了運動的空間場概念，這個猜想就很容易得到解釋，即所有參考系的運動都要相對于所處的空間場為標準參考系，相對于所處的空間場的運動速度的快慢，影響著時間的流逝速度快慢。相對著空間場的運動速度發生改變，則必然存在“慣性力”或者說產生引力場效應。

因此，當旅行者以接近光速離開地球旅行，則要考慮到其接近光速必須是相對于空間場，而不是地球，再計算考慮地球上的兄弟相對空間場的運動速度與狀態，作出對比。地球上的兄弟相對于空間場運動對比光速運動速度更低，則時間流速更快。飛船中的旅行著一直相對空間場速度更高，則時間流逝速度更快慢，因此當旅行者回到地球將會更年輕。

那么現在根據實際的一些實驗效果討論，1971年美國科學家進行的原子鐘飛行實驗驗證，飛機繞赤道向東飛行一圈時間比地面慢大約59納秒，向西方向繞行者時間流逝速度比地面快了273納秒左右。科學家由此進一步驗證了狹義相對論的時間流速問題。

但是這個實驗結果驗證了一個結果，那就是參考系不平權問題，根據查詢到的計算方式，很容易得出，科學家在計算速度與時間的關系，采用了一個標準參考系，那就是以地球質心作為相對運動速度的計算參考系。若以不同的參考系，則計算結果將會出現很大不同，例如以地表上的時鐘，或者以飛機上的時鐘作為參考系，那么實驗結果都將是混亂而不符合的。因此驗證了參考系必須不平權，所有參考系的相對運動速度必然有一個共同參考系，那就是參考系所處空間場。

再來對引力造成的時間膨脹現象來舉例子，根據現在用的GPS導航系統，驗證了在地球高空的時間流動速度比地表更快。這是由于地球周圍的空間是向著地球加速運動的。因此在地球的引力場中，越是接近地表位置相對于空間的運動速度越快，時間流逝速度越慢。因此，可以不存在引力造成的時間膨脹效應，GPS導航衛星軌道之所以時間流逝速度更快，也僅僅是由于速度造成的時間膨脹效應，對比地球表面，GPS衛星相對空間場的運動速度更慢。

那么運動的空間場到底是什么呢，我們科學有觀測或者提出類似的物質嗎？答案是有的，那就是暗能量。首先我們來了解一下什么是暗能量 。暗能量是科學家為了解釋宇宙膨脹的事實，所提出來的一種物質，目前未被直接觀測到。但在科學家的預言中暗能量不會吸收反射或者輻射光，充溢著整個空間，具有負壓強的能量，那么現在將暗能量的性質代入空間場。

引力的產生是由于宇宙之中充斥遍布著暗能量，暗能量具備負壓，有質量的物質，會通過某種規律，吸附暗能量。越多的物質會吸附越多的暗能量，物質吸附暗能量的量與物質的量是正比關系。當暗能量被物質吸附，就會形成暗能量低壓的地區。由于暗能量之間具有負壓，附近的暗能量就會流向低壓地區，補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構，暗能量必然是加速向星體運動的。這就直接對應了開頭提到的，物質吞噬空間場的概念。因此暗能量的負壓不僅僅是造成宇宙膨脹的動力來源，同時也應該是引力產生的來源，宇宙膨脹的斥力與引力本質相同。

作者簡介：黃歡（1990.02-），男，福建福清人，福建福清，350309，科普愛好者。