广义相对论

　　狭义相对论只适用于惯性参考系，简称惯性系。如果已知某个参考系是惯性系，则相对于这个惯性系静止或做匀速直线运动的其它参考系也是惯性系；而自然定律和光速不变原理在所有这些惯性系内也都是成立的。然而，实际上很难找到一个理想的惯性系。例如在太阳系内，地球相对于太阳的公转运动只是在一天左右的短期内才近似于匀速直线运动，从这个意义上说地球才是一个惯性系。而如果还要考虑地球的自转以及地球跟随太阳绕银河系中心的旋转等情况，则地球就不能看作一个惯性系。

　　即使近似地认为地球是一个惯性系，则地面上自由的物体因受到地球引力必然要做自由落体式的加速运动。显然，固定在该物体上的参考系肯定不是惯性系。由于引力在宇宙中是普遍存在的，所以相应的非惯性系也是普遍存在的。因此，怎样使自然定律的适用范围由惯性系扩大到非惯性系，这正是由狭义相对论过渡到广义相对论所面临的重大疑难问题。

　　爱因斯坦讨论了一个假想实验。设有一个类似于电梯或飞船那样的封闭舱，舱内观测者看不到舱外的情况。若舱停放在地面上，舱内观测者会看到自由的物体以加速度g落向舱底；这同舱外的自由落体运动情况完全相同，是地球的引力效应。若舱在没有引力场的太空中以加速度g向上运动，舱内观测者也会看到自由的物体以加速度g落向舱底，这是观测者所处的舱由惯性系变为加速参考系后物体受到“惯性力”作用的结果。由于引力质量（m引力）等于惯性质量（m惯性）是一个确切的实验事实，所以舱内观测者不可能通过具有相同加速度g的自由落体运动情况来判明舱究竟是停在地面上还是在太空中加速飞行。

　　爱因斯坦由此认为，在一个相当小的时空范围内，不可能通过实验来区分引力与惯性力，因为引力的作用可由相应的加速参考系的作用来取代，这就是著名的等效原理。其中“相当小的时空范围”的条件，是考虑到天体的引力场一般是随时随地改变的情况而设置的。即在某一局部范围内时空点上的引力，只能用适合这一时空点的加速参考系来取代；而随着引力的变化，相应的加速参考系则也应当有所不同。根据等效原理，取代了引力的参考系，可以称为局部惯性参考系，简称局部惯性系。在引力作用下自由下落的封闭舱，就是一个局部惯性系。因为此时舱内的一切物体均处于“失重”状态，引力作用被惯性力作用所抵消，所以这些物体仍可按惯性定律保持静止状态或匀速直线运动状态。然而，从舱外真正的惯性系看来，这个局部惯性系实际上是在做加速运动的非惯性系。既然可以通过选择合适的加速度使惯性定律在该非惯性系里成立，则一切自然定律也都可以在这种非惯性系里成立，这就是广义相对论所依据的广义相对性原理。

　　为了简单直观地了解广义相对论的基本原理和重要推论，让我们再看一组光线实验。设有一个类似宇宙飞船那样的封闭舱。在舱的左壁开有一个小孔，以便让一颗恒星的光线射进舱内。我们将会看到，这条光线的形状随周围状况和观测者所在参考系而变化的情景。如图1．3所示。图1．3（a）表示飞船在太空中静止或做匀速直线运动，此时船舱内观测者处于惯性系。他看到从舱孔射进的光线是直线，该直线平行于舱底。图1．3（b）表示飞船有一个垂直向上的加速度a′，此时船舱内观测者实际上也随之处于加速参考系。而他自己则会看到舱内自由物体有一个垂直向下的加速度a，且a＝-a′；同时从舱孔射进来的光线也变成抛物线了。这表明如果观测光线的参考系由惯性系变为非惯性的加速系，则该光线必然由直线变为曲线（抛物线）。图1．3（c）表示飞船进入某天体引力场内的情况。设此时舱内观测者看到舱内自由物体也具有一个垂直向下的加速度a，而且光线也变成抛物线，与在图1．3（b）时的情形完全相同，则他无法区分飞船到底是在做向上的匀加速运动或是处在某天体的引力场内。这正是等效原理在起作用的结果，亦即引力的作用可以完全等效于一个加速系的作用。图1．3（d）表示进入某天体引力场内的飞船同时具有一个垂直向下的加速度a的情况。因为此时天体的引力场作用可以用飞船具有一个垂直向上的加速度a′的作用取代，且a′=-a， 所以舱内观测者看不到自由物体的受力情况，光线也继续保持直线。此时船舱所处的参考系即为局部惯性系。显然，从舱外真正的惯性系看来，该船舱实际上是处在引力场作用下的非惯性系，因为它有一个垂直向下的加速度a。
　　本文标题：爱因斯坦相对论和宇宙观念的发展(3)
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