本文,首先将会从牛顿定理的视角,介绍惯性质量与引力质量的概念、意义与关系。
接着,将会沿着爱因斯坦发觉相对论的逻辑与路径,深入浅出地剖析与相对论原理有关的,众多有趣概念。
最后,将会从一个不同的视角,去重新考量质量、力、加速度与物质之间的关系。
主题目录如下:
惯性质量
首先,牛顿提出了牛顿第二定理,并定义了惯性质量——就是物体改变运动状态难易程度的测度。也就是说,质量越大,越无法改变运动状态,质量越小,越容易改变运动状态。
或换句话说,质量存在一种惯性,但是质量越大惯性越大。而惯性,如同是质量所表现出的“惰性”,或说是对加速度的“抗性”,由于它总是企图保持原有的运动状态——静止或匀速直线运动。
后来发觉运动状态,可由动量变化描述,运动状态不变,即是动量不变,也就是没有加速度。
引力质量
接着,牛顿发觉了万有引力,于是就有了引力质量——就是物体相互之间吸引力大小的测度。也就是说,质量越大吸引力越大,质量越小吸引力越小。这些吸引力形成了,重力和重力加速度,而重力即是在月球上检测下来的重量大小。
质量为1千克的物质,遭到外力9.8牛顿时所形成的重量——称为1千克重。通常常用质量单位来取代重量,蕴涵除以重力加速度(mg)。
后来发觉,引力由引力场形成,引力质量形成引力场,但是引力场在空间上并不均匀,会形成引力差——而这就是形成潮汐力的诱因。
惯性质量与引力质量
至此,我们可以看见,惯性质量(m=F/a)须要通过动量变化能够测得,静止的物体就无法测出惯性质量。但引力质量(m=F/g)即使静止(例如在月球表面),也可以通过重力与重力加速度(常量),测出引力质量。
但是,通过实验发觉,引力质量和惯性质量成正比列关系。
其实,这两种质量描述的角度不同,一个是形成吸引力的能力,一个保持运动状态的能力,但倘若三者的比列对一切物体相同,这么就可把它们当成同一个量来对待,由于选定一个合适的单位,就可以令比列常数为1,即引力质量与惯性质量相等。
化学学家厄缶,改进了卡文迪许的扭秤设计,证明了引力质量和惯性质量是相等的,为等效原理铺下基石。
这说明了,在引力场中,物体的加速度与其质量无关,只与引力场有关。
由于物体在引力场中,遭到的吸引力就是它所受的外力,结合万有引力与牛顿第二定理(GMm/r^2=mg),这么两个公式中,物体的引力质量与惯性质量互相抵消,就只剩下了与引力场有关的加速度(g=GM/r^2)。
这可以理解为,物体的引力质量越大,等效的惯性质量就越大,而惯性质量代表着对加速度的“抗性”,所以无论物体的引力质量多大,其相关的加速度,就会被“抗性”抵消,最终在引力场中,保持重力加速度恒定。
而从受力角度来看,物体在引力场中形成的万有引力(GMm/r^2),来自两个部份:一个是物体的引力质量(m),一个是引力场的引力质量(M)。但物体的引力质量,被其自身的惯性质量给抵消了,所以物体的加速度,只与引力场的引力质量(M)有关。
不过,假如物体的引力质量降低,万有引力(GMm/r^2)会由于引力质量(m)降低而降低——显然,万有引力,不包含惯性质量的“反作用”。
所以,物体在引力场中,其引力质量(m=F/g)与其受力(万有引力F)成反比——这也是检测引力质量的原理所在。
这么可见,引力场——能够让一切物体的加速度相同,即反应了——引力质量与惯性质量相等的事实。
惯性系与非惯性系
运动是相对的,所以运动须要参照物,参照物可以是一个物体,可以是一个区域,还可以包含相对运动的物体在其内部,最主要的是可以在参照物上构建座标系,所以参照物又称为——参考系。
参考系分为两种:惯性系与非惯性系。
惯性系,顾名思义,就是符合惯性定理的参考系,即物体在其中的维持其惯性状态——静止或匀速直线运动。
非惯性系,其实就是不合符惯性定理的参考系,即相对于惯性系,有加速度的参考系。
那身处在一个参考系的内部,怎么晓得这个参考系有没有加速度呢?换句话说,就是怎样晓得所在的参考系,是惯性系还是非惯性系呢?
事实上,最有效的办法,就是做实验,验证参考系中物体的运动,是否符合惯性定理。而这就是,在局部视角中,判定惯性系与非惯性系的关键。
惯性力
在非惯性系中,物体的运动不符合惯性定理,即会有加速度。但是,按照牛二定理,有加速度必然都会受力,但在局部视角中,我们看不到这个力的来源,只能看见加速度的真实存在。
比如,在加速行驶的车辆中,车上的小球会自发的加速向车尾运动;或则忽然制动,车上的小球会忽然加速向车头运动。此时,小球的加速度,在车内找不到施力源。
但是,从全局视角来看,物体相对非惯性系有加速度,非惯性系相对惯性系有加速度,这两个加速度——大小相同、方向相反。于是,物体的加速度正好就“抵消”了非惯性系的加速度,令其在惯性系中保持惯性状态。
比如,在加速的车辆外型察,车上的小球会静止不动,直至小球撞击到车尾抵挡物,才能“被迫”和车辆一起做加速运动。
所以,在非惯性系中,物体的加速度是始于物体的惯性引力和重力的区别,即:惯性质量对非惯性系加速度的“抗性”,也就是在惯性系中,惯性质量对自身加速度的“抗性”。
为此,在非惯性系中,物体加速度的施力源——就是惯性质量,而这个力就称之为——惯性力。而且,惯性力与惯性质量成反比,由于物体的加速度仍然与非惯性系的加速度大小相等,这么惯性质量越大,物体的受力,即惯性力(F=ma),也都会越大。
其实,惯性力——是一种假想的不存在的力,由于在宏观上,惯性力不是由互相作用形成的,而是惯性质量本身的惯性性质。但惯性力的效用——却是真实的存在,其代表着制止惯性质量运动状态改变的力,或说是保持惯性质量运动状态不变的力。
这么,综上可见,惯性力须要在非惯性系,能够彰显下来,或说是在非惯性系,须要引入惯性力能够应用牛二定理(否则加速度找不到施力源)。
而事实上,我们可以看见,非惯性系自身的受力与加速度才是真实发生的,物体在非惯性系中的惯性力与加速度,都是相对的。由于从全局来看,物体在非惯性系中,发生碰撞之前,是处在惯性状态的,而在碰撞过后,形成接触受力,物体的惯性力和惯性状态才会消失。
弱等效原理
在引力质量等效于惯性质量的视角之上,经过一番思想实验,爱因斯坦提出了,弱等效原理——就是在局域,引力与惯性力,难以分辨。
这儿蕴涵的一个概念就是,引力在距离远近上并不均匀,而惯性力则是均匀的,但在无穷小的时空范围内,引力的不均匀可以近似等于均匀。
这么,与之对应的一个思想实验,就是:在引力场中静止的飞船,其中的物感受遭到引力,在太空中加速的飞船,其中的物感受遭到惯性力,而通过适当调整飞船的加速度,就可以让惯性力等于引力。于是在飞船之中,通过热学实验,就难以分辨物体遭到的是引力还是惯性力,也难以分辨,此时飞船是在引力场中静止,还是在太空中加速。
所以,弱等效原理,也可以描述为——在局域,引力场与加速场,难以分辨热学效应。其实,在非局域,引力场不均匀有潮汐力,而加速场均匀,是可以通过热学实验分辨的。
接出来,更进一步的一个思想实验,就是:在引力场中,飞船做自由落体运动,此时飞船中物感受遭到向上的引力,同时飞船是一个向上加速的非惯性系,这个非惯性系中的物感受遭到一个向下的惯性力,但是这个惯性力与引力相等。于是,物体的引力与惯性力抵消,处在了失重的状态。而在另一个场景里,飞船漂浮在太空之中,构成了一个惯性系,飞船中的物体同样也处在失重状态。结果在飞船之中,就难以分辨,飞船是在引力场中自由下落,还是在太空中漂浮。
由此,我们可以看出:
这么,弱等效原理,还可以描述为——在局域,引力场与惯性场(即惯性系),难以分辨热学效应。也就是说,在引力场中,通过选定一个合适的参考系——自由落体的非惯性系,就可以抵消引力,令引力场局域等效于惯性系。
但是,引力场也可以看成是一个非惯性系。这么,在引力场中自由落体,也就可以等效于,在非惯性系中自由落体。
于是可以想像,在非惯性系,受惯性力自由落体的物体,从全局来看,其必然是处在惯性状态的——因为物体的加速运动,虽然是相对非惯性系的,而非惯性系自身,才具有真正的加速运动。
为此,弱等效原理,又可以描述为——在局域,非惯性系与惯性系,难以分辨热学效应。也就是说,在非惯性系中,通过选定一个合适的参考系——如自由落体的非惯性系,就可以让两个惯性力互相抵消,令非惯性系局域等效于惯性系。
事实上,化学学家马赫,曾强调:加速物感受遭到惯性力,是因为它相对全宇宙所有物质加速,这相当于全宇宙的物质相对它做反向加速,进而对该物体施加一个作用,就是惯性力。——爱因斯坦把这个思想称为马赫原理,并从中得到了巨大的启发。
强等效原理
更进一步,爱因斯坦假定了,强等效原理——就是在局域,引力场与惯性场(即惯性系),难以分辨数学学效应。
等价的描述有:
这么,强弱-等效原理的区别在于:
由此可见,弱等效——不能代表时空等效,而强等效——则可以代表在无穷小处的时空等效。而无穷小的时空假如等效,这么由无穷小的时空组成的全局时空,也就是等效的。
为此,时空之中就只有非惯性系——它由无穷小的惯性系组成。所以,一切座标系都是平权的,即客观的数学规律,应当在任意座标系下均有效,且应是协变的——这就是广义协变性原理,称作广义相对性原理。
这么,惯性系的数学规律——由狭义相对论描述,应当也可以应用于非惯性系,包括引力场。
于是,从强等效原理可以得出,引力场可以由多个局部惯性系组合上去,等效去描述。由于无穷多个局部惯性系,组成了一个全局非惯性系,包括引力场。这在物理上,就是对局部惯性系,应用狭相估算,之后做积分的结果,等同于在非惯性系,应用广相估算的结果。
这么同理,多个局部惯性力组合上去,也就可以等效于全局(不均匀的)引力。
由于,通过切换参考系,以形成惯性力的物体本身构建座标系,这么局部非惯性系,就转弄成了局部惯性系。此时,这个局部惯性系,就成为了一个质点,没有惯性力,没有加速度,只有瞬时速率。
事实上,强等效原理的重要意义,就在于:在引力场中,通过选定合适的加速参考系,就可以抵消引力,进而让引力在局域消失。
这么试想,在引力场中,自由落体运动,处在了惯性系的失重状态,这说明了哪些?虽然这说明了,每位局域引力与惯性力都抵消了,因而在由局域组成的全域,物体也就不再受力了。
但是从全局视角来看,物体仍在引力场中做匀加速运动,是何解?要晓得,全域由无穷多个局域组成,每位局域都是惯性系,没有力与加速度,这么全域的引力与加速度,是怎样从无穷多个惯性系之中涌现而至的呢?
此时,爱因斯坦的想像力发挥了作用,他觉得引力根本就不存在,引力场是时空几何结构弯曲的产物,物体的自由落体运动,虽然就是在时空弯曲结构中,顺着测相线不受力的自由运动,而这就是处在了——四维时空的惯性系。
测相线——可以定义为空间中两点的局域最短或最长路径,又称大地线,或近程线。
这么可见,在四维时空,引力就是弯曲,直线就是曲线。这么,只受引力的匀加速直线运动,就相当于是在平直时空,不受力的匀速直线运动。
这么,从时空弯曲的角度来看,在无穷小的时空范围内(即惯性系中),时空曲率为0,也就是引力不存在。接出来,每位时空质点都不存在引力,而时空质点构成的几何结构,最终就涌现出了,引力的宏观表现。
时空曲率——意味着几何结构未能在二维平面展开,如球面、马鞍等,而像圆锥则可以在二维平面展开。
时空弯曲
于是,爱因斯坦在强等效原理之上,建立了广义相对论——其核心就是,物质决定时空怎样弯曲,时空决定物质怎么运动。
也就是说,时间和空间不可分割的组成了时空,时空的弯曲产生了引力场,形成吸引力。而引力质量越大,时空弯曲程度越强,产生的引力场就越强,引力也就越大。最后,引力决定了宏观物质的运动。
由此可见,引力质量——就弄成了时空弯曲程度的测度。
而引力质量和惯性质量,似乎是同一个本质缘由,所形成的不同角度的宏观表现,因而这个相同本质形成的时空影响,也是等效的。所以,等效的惯性质量,也都会有时空弯曲效应。这可以理解成,运动加速度越大,惯性质量就越大,等效的引力质量就越大,即:运动加速度可以提高引力场。
这么,其实的是,当处在有加速度状态的物体,改变其运动状态更难——这是相当于降低了惯性质量。由于物体有加速度即有受力,此时改变其运动状态就须要克服——惯性力与受力,这相当于前往同样的加速度,却降低了惯性力(m=F/a),因而相当于降低了惯性质量。
事实上,在狭相中,只有惯性质量,并没有引力质量,但惯性质量等效于引力质量,于是广相,清除了质量的前缀“引力”与“惯性”,只剩下一个“质量”,并重新定义了惯性系,令其组成了非惯性系,于是狭相通过局域联接到了全域,这相当于把引力和惯性力都转移到了时空弯曲上,而时空弯曲始于——(无差异的)质量。
最后,须要强调的是,爱因斯坦只提出过等效原理,强弱等效原理是后来的分辨。由于其实,弱等效原理早已被直接验证了,但强等效原理仍然都难以被直接验证——目前仍然是一个假定。诱因就在于,弱等效验证力等效——比较容易,而且强等效验证一切数学规律等效——并不好设计试验。
但有趣的是,强等效原理是广相的基础,随着广相不断的被验证正确——这反倒支撑了,强等效原理的正确性。
力与加速度
力是绝对的,不具有对称性。由于力是相对于宇宙中所有物质的,而不是相对参考系的。这可以理解为,力的作用是改变自身的运动状态,而自身的运动状态,是一种与宇宙整体状态相关的绝对变化。
这么,受力都会形成加速度,加速度即是运动状态的改变,所以加速度也具有不对称性。
比如,A受力有加速度B静止,并不等同于,A静止B有相对加速度。由于A受力是相对宇宙整体的引力和重力的区别,而B相对宇宙整体一直不受力。因而,A会形成绝对时间膨胀,B则不会。
但是,加速度的相对性,须要分两种情况来看:
第一,相对于惯性系,加速度是绝对的。也就是说,惯性系中有加速度的物体,相对于匀速物体——无论速率是多少,加速度都是绝对的,即:速率的变化量是恒定的。其实,这是由于惯性系中的物体,受力才能形成加速度,而力是绝对的。
第二,相对于非惯性系,加速度是相对的,但受力效用是绝对的。也就是说,加速度之间是相对的,但只有真正受力的,才具有绝对加速度,不受力的具有相对加速度。
绝对加速度——可以通过参考系内的热学实验检测得出。诸如,有加速度的飞船,构成了非惯性系,在其中进行热学实验,就可以得出绝对加速度。
相对加速度——是通过参考系的相对加速运动得出的。诸如,一个有加速度的飞船,相对于另一个有加速度的飞船,就具有相对加速度。而假如两个飞船的绝对加速度一样,这么二者的相对加速度就为0,即相对静止。但显然,两个飞船的受力效应是绝对存在的。
不过绝对加速度的受力,必须是真实存在的力,而不能是赝力——如惯性力。
比如:在非惯性系的自由落体运动,惯性力形成的加速度,就是相对加速度,由于此时物体仍然保持惯性状态,其加速度是相对于参考系的相对加速度,而参考系受力形成的是绝对加速度。
其实,假如认可了时空弯曲,这么引力就是赝力,由于在引力场自由落体运动,物体处在惯性状态,其重力加速度是相对于引力场的相对加速度,而(不均匀的)引力场是时空弯曲的绝对效应——等效于多个加速场的绝对加速度。
最后,加速度虽然可以分解为,无加速度的切换参考系。
其原理就在于,把加速度分解成无穷多个,瞬时速率的组合,此时那些瞬时速率所在的参考系,没有受力没有加速度,但每位参考系的速率都不同。于是加速度运动,就可以看成是,在这种参考系之间的切换,即不停的换系。而每次换系,相对速率就会变化。
这么,在此视角下,就是去不仅加速度,只剩下了一系列的相对速率。这背后的意义就在于,换系会形成不同的相对速率,这在历史变化中,就一定出现过受力与绝对加速度,否则一切都是相对静止的。
重新考量——宏观质量
如今,我们须要明晰一个重要的概念,即质量、力、加速度这三个量的关系,是谁决定了谁?
首先,力与加速度,其实是有力才有加速度,而且力越大加速度就越大——是力决定了加速度。
其次,质量越大引力就越大,没有质量就没有引力——显然是质量决定了引力。
但实际上,我们会发觉,无论是引力质量还是惯性质量,都是通过力去检测的,即通过引力去检测——引力质量,通过改变运动状态的力去检测——惯性质量。
比如,在月球上静止不动,就难以检测惯性质量,但可以检测引力质量;在外太空难以检测引力质量,但可以通过力与加速度,去检测惯性质量。
这么其实,没有力,就不能测出质量。而我们可以说,引力质量——度量了引力的大小,惯性质量——度量了惯性力的大小。
所以,质量虽然测度了力。
于是,质量弯曲了时空,也可以说,是质量测度的力——弯曲了时空。而时空弯曲,是相当于时间与空间的几何结构一起“被拉长”,形成了时间膨胀与引力场。
这么,加速度——无论是重力加速度,还是运动加速度——都会形成时间膨胀效应与引力场,由于加速度来自于力,而力可以由引力质量与惯性质量,共同来等效彰显。
但是,尽管引力等效于惯性力,重力加速度等效于运动加速度,但引力场并不等效于加速场(惯性力场)。由于,引力场是不均匀的——引力各处不同,加速场是均匀的——惯性力处处相同,而我们可以把加速场看成是一种——均匀的引力场。
事实上,引力场与加速场,彰显的是力场在空间中的分布,而力场在质点上表现出的互相作用,则就是引力与惯性力。可见,质量所测度的力,虽然是力场互相作用的合力。
这么,力来自于哪些呢?
其实,假如物质没有变化,就不会有力,也不会有加速度。要晓得,任何一个互相斥力,就会来始于一个后置的物质变化来形成。而物质变化,最终会来自于微观的运动。
这么,假如我们认可了,时间和空间都屈从于物质的变化,并构成了紧密联系不可分割的时空。这么,物质与时空也就是不可分割的整体,不会存在没有物质的时空,或是没有时空的物质。
为此,物质变化,就必然会同时彰显在,质量和时空之上。也就是说,质量描画了物质变化的一个侧面,时空描画了物质变化的另一个侧面,而二者则描画的是同一个物质本质。
于是,物质变化——不仅带来了力,也同时让质量与时空一起变化。所以,质量可以测度时空变化,即时空弯曲率,也可以测度物质变化带来的互相作用,即引力与惯性力。可见,引力、惯性力、时空变化,虽然都是物质变化,透过质量的彰显。
这么可以想像,引力质量等效惯性质量——是由于二者背后对应了同一个微观的物质变化,之后形成了不同的宏观表现,即是引力与惯性力。
而事实上,引力和惯性力,只是一种宏观力,在微观的物质变化,就会形成其它的微观力(即强力、弱力、电磁力),但是微观力,也会有相应的质量(动质量与能量)来彰显。
所以其实,假如想要厘清楚质量的真正本质,而不是它测度了哪些,我们就须要厘清楚——物质的微观组成,以及微观力(强力、弱力、电磁力)是怎样形成的?