爱因斯坦的惊奇发现：“等效原理”

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一集体学会了广义相对于论，那末物理学畛域的任何常识都难不住他，由于广义相对于论是物理学史上第一个反直觉的实践。
假如你了解了狭义相对于论，那末世界上可能就没有可以难住你的货色了。由于，狭义相对于论更为失常识。
那末，爱因斯坦是如何提出狭义相对于论的呢？在提出广义相对于论的时分，虽然爱因斯坦知道了迈克尔逊的试验，然而他的登程点并非以太不存在。提出广义相对于论之后，爱因斯坦回想，他在16岁的时分就构想过一个思想试验：如果人随着光跑，会看到甚么？固然，起初爱因斯坦发现，人是永久追不上光的，由于光在任何惯性参考系中的速度都同样。提出广义相对于论之后，爱因斯坦开始思考的问题是，既然广义相对于论假设了伽利略相对于性原理，那末万有引力该怎么办？这是他发现狭义相对于论的起头。

可能大家会问，万有引力和伽利略相对于性原理有甚么瓜葛？咱们回想一下伽利略相对于性原理：任何惯性参考系都是等价的。也就是说，在任何惯性参考系中，一切的物理学定律都不变。广义相对于论解决了电磁实践问题，只有两个惯性参考系中的时间和空间根据洛仑兹变换来分割，那末麦克斯韦的电磁实践在两个惯性参考系中都成立。
可是，牛顿的万有引力定律看下来是个刹时互相作用，意思就是，一个物体在一个时辰感触到另外一个物体对它的万有引力，与两个物体在阿谁时辰的间隔无关。很显著，这类定律在广义相对于论中不成能知足伽利略相对于性原理。缘故很简略，如果牛顿的万有引力在某个惯性参考系中是刹时互相作用，那末它在另外一个不同的惯性参考系中就不成能是刹时互相作用，由于在这个新的参考系中，时间彻底不同了，同时性变了。
这是1905年当前爱因斯坦面对的窘境：如何修正牛顿万有引力定律，使得新的万有引力定律遵守伽利略相对于性原理。
其实，与爱因斯坦同样，有几位物理学家也在思考这个问题，但他们基本没有找到正确的前途，由于他们老是在广义相对于论中打转。
也就是说，爱因斯坦起初发现的狭义相对于论，彻底不同于广义相对于论。在狭义相对于论中，时间和空间蜿蜒了，而在广义相对于论中，虽然时间和空间亲密相干，但它们没有蜿蜒。
时间和空间的蜿蜒是甚么意思呢？这是一个很好的问题，咱们留到下堂课往返答。当初，咱们先看看爱因斯坦找到的通向狭义相对于论的正确入口。这个入口，就是等效原理。

我上大学时读居里夫人的女儿艾芙·居里写的《居里夫人传》，记得外面写到一个与爱因斯坦无关的故事。1907年，那时曾经是著名物理学家的爱因斯坦与居里一家外出度假。他们一同登山，在登山的途中，爱因斯坦忽然捉住居里夫人的手，说：“夫人，我想出来了！”居里夫人不解地看着他：“你想出来了甚么？”爱因斯坦指着后面的悬崖说：“夫人，你想一想，如果你从那里跳上来，会看到甚么？”我不知道过后居里夫人是甚么反映。要知道，那时她的丈夫皮埃尔·居里才逝世一年。
其实，爱因斯坦说的从悬崖跳上来会看到甚么，就是在讲等效原理。简略来讲，假如你从悬崖跳上来，你就感触不到万有引力了。这就是在航地利代家喻户晓的失重景象。但这与著名的物理学原理有甚么瓜葛？
爱因斯坦说，如果你跳上来了，你失重了，感触不到万有引力了，那末你看到的物理学定律和广义相对于论里的物理学定律就彻底同样。
接上去，更为症结的一点是，在自在着落的参考系中，广义相对于论是对的，在运动参考系里，有了万有引力，可是相对于自在着落参考系，运动参考系是减速的。自在着落参考系里没有万有引力，而运动参考系里有万有引力。这是为何？原来，万有引力是减速酿成的。
这就是爱因斯坦在1907年登山过程当中想到的等效原理——重力场与以适量减速度静止的参考系是等价的。
那末，假如等效原理成立，咱们需求检修甚么？咱们再来看看爱因斯坦的思想试验：在自在着落的参考系里，我看到的景象就是广义相对于论中的景象。这就象征着，与我一同着落的人及任何其余物体，不是与我相对于运动的，就是相对于我来讲以匀速静止的。
或者能够说，在运动参考系中，任何两个物体的减速度都是同样的。有人会说，这有甚么希奇的，伽利稍不是早就指出这一点了吗？话是没错，但大家进一步想想，按照牛顿万有引力定律，地球对一个物体发生的重力，与这个物体的引力品质成反比，同时，按照牛顿第二定律，一个物体的减速度与力成反比，与惯性品质成正比。当初，如果一切物体在重力中的减速度都是同样的，那就要求分母上的惯性品质和份子上的引力品质彻底对消。换句话说，对一切物体来讲，引力品质要彻底等于惯性品质。
首要的话需求反复一下：按照等效原理，引力品质要彻底等于惯性品质。这个陈说是需求用试验来验证的。十分首要的是，在广义相对于论泛起之后，惯性品质自身还有一个独立的定义，也就是说，惯性品质与物体蕴含的能量无关，这就是咱们在第28课中讲的质能瓜葛。
回到前文提到的伽利略。早在17世纪，伽利略已利用物体从斜面滚下不同的间隔所需求的时间证实物体在地球上自在着落的减速度是一个常量。此外，伽利略还发现，单摆的周期只与摆长无关，而与摆锤的品质和资料有关。起初，牛顿做了两个等长且外形相反的单摆，其中一个的摆锤是用金做的，另外一个的摆锤是用等重的银、铅、玻璃、沙等不同物料制成的。牛顿在屡次试验中均未能视察到它们之间的周期差别。也就是说，不同的资料的引力品质都等于惯性品质。

单摆的周期仅与摆长无关，与摆锤的品质和资料有关色
1885—1909年，匈牙利物理学家厄缶用了20多年的时间准确地改进卡文迪许试验。在第5课中咱们谈到，卡文迪许试图丈量万有引力常数。他的丈量办法特别聪明：将一个两端各放一个小球的直杆吊挂在一根石英丝上。假如这个直杆没有遭到任何力的作用，石英丝就不会被扭转。而后，拿两个大球分别凑近两个小球，大球对小球发生了万有引力，石英丝就会扭转一个角度。经过石英丝的扭转角度，咱们就可以计算出万有引力的大小。

厄缶改进了扭秤的设计，使悬杆两真个两个重物不只有程度间隔，还有垂直间隔。厄缶进步了扭秤的灵活度，遍及了扭秤在地球物理勘探方面的运用，证实了引力品质和惯性品质是相等的。固然，任何物理学试验都有精度问题，厄缶试验的精度是千万分之一，也就是说，在千万分之一这个精度内，引力品质等于惯性品质。这个精度精确到甚么水平呢？就比如一个10吨重的物体，它的引力品质和惯性品质的差异小于1克。
19十一年，爱因斯坦是知道厄缶试验的，因此他提出了等效原理。20世纪60年代，一些物理学家进一步改进了厄缶试验，将其精度进步到了千亿分之一，这是一个比厄缶自己的试验还要准确1万倍的试验。也就是说，一个10万吨的物体，它的引力品质和惯性品质的差异小于1克。
如今，引力品质等于惯性品质的试验曾经开展到了两种不同的试验。一种是在卫星上做试验，由于卫星绕着地球转，它能够被看做是一个不停自在着落的参考系。在卫星上做的试验，精度曾经到了一亿亿分之一。另外一种是利用冷原子在真空中自在着落做试验，这类试验的精度曾经到了五亿亿分之一。
最初，咱们简略说一下厄缶。厄缶的父亲是一名诗人，官至匈牙利内阁，厄缶的母亲出身于贵族家庭。由于厄缶对物理学的首要奉献，厄缶的肖像第一次泛起在了1932年匈牙利发行的邮票上，起初又在邮票上泛起过两次。1950年，匈牙利的一个有着300多年历史的大学更名为厄缶大学，以记念厄缶。厄缶自己虽然没有获取过诺贝尔奖，但厄缶大学出了5个获取诺贝尔奖的人。
爱因斯坦以为，万有引力和减速参考系是等价的，或者说，在重力场中自在着落的参考系里，咱们看到的物理学定律和广义相对于论中的是同样的。这是爱因斯坦迈向正确的万有引力实践，也就是狭义相对于论的第一步。

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