第307章 广义相对论两大基本原理！（盟

惯性这个词语，日常生活中我们经常遇到。

比如，一列火车疾驰而来，即便它已经开始刹车，但也不能立刻停下来。

因为我们知道火车具有惯性。

并且在普通人的认知中，物体的质量越大，则它的惯性越大。

然而，很少有人真正思考过，惯性的本质是什么？为什么质量可以衡量惯性的大小？

这是因为我们受到的教育，并不是从头开始的，而是预设了很多内容。

物理学严格算起来，应该是从伽利略开始的。

古希腊的那帮人，他们更注重的是思想的辩论，而不是具体的实验。

比如关于运动。

古希腊哲学家上来就研究运动的本质，讨论物体为什么会运动。

但是却不去研究物体到底是怎么运动。

说白了，他们不去研究过程，直接讨论结果。

而伽利略不同。

他是第一个将理性思维和实验结合起来的人。

他通过实验去研究物体的运动过程，从而发现规律。

其中惯性定律就是他最重要的发现之一。

伽利略认为物体的静止状态和直线匀速运动状态，是完全等价的。

并且他给这种状态起了一个名字，就叫：惯性系。

什么意思呢？

比如人在高铁上，如果把窗户都关上，假设轨道非常平滑，高铁没有一点颠簸。

那么其实人是感觉不到自己在运动的。

在没有其他参照系的情况下，是不可能分清匀速直线运动和静止的。

而所谓的惯性，就是物体保持这种状态的能力。

并且基于惯性系的概念，伽利略又发现了一个重要定律。

那就是相对性原理。

说的是在任何惯性系中，力学定律总是保持不变。

什么意思呢？

你在高铁上做自由落体实验，和你在地面静止时做自由落体实验。

两种情况下，看到的物体运动过程完全一样。

小球都是笔直下落，测出来的加速度也完全一样。

这就是相对性原理。

它非常符合人类的直觉体验，而且很容易用数学公式表达出来。

因此它和惯性定理一样，都是公理、公设。

意味着你可以去尝试证伪，但是没有办法证明。

牛顿完全继承了伽利略的两大力学定律。

在此基础上，提出了牛顿力学三大定律。

所以，牛顿说他站在巨人的肩膀上没有错，伽利略就是那个巨人。

牛顿是继承而不是生搬硬套。

首先，他给惯性定律下了一个严格的定义。

即一个质点或者物体在不受外力的情况下，它将保持静止或者匀速直线运动。

这就是牛顿第一定律。

牛顿就是牛顿，和普通人不一样。

他没有满足既有的定律，而是想的更深一步。

那物体要是在惯性运动的时候，突然给它施加一个力会发生什么。

这就是牛顿第二定律。

即力会改变物体的运动状态，产生一个加速度。

用数学公式表达就是F=ma。

不管是后世还是现在，只要是刚接触物理学的人，学到的第一个物理公式恐怕都是它。

看起来非常简单，小学生都会算。

但会算没用。

其实你并没有思考过公式背后的深刻道理。

牛顿当时在研究第二定律的时候，他就在思考一个问题。

为什么同样大小的力施加在不同的物体上，产生的加速度会不一样呢？

聪明的你立刻回答：因为质量m不一样啊。

恭喜你，答错了！

因为当时牛顿还没有推导出这个公式。

牛顿认为是惯性的原因。

物体的惯性总是让它倾向于保持原有的运动状态。

即物体的惯性是一种反抗外力的能力、固有属性。

惯性越大，反抗能力就越强；反之，惯性越小，反抗能力就越弱。

而惯性的大小，可以用【惯性质量】来表示。

也就是牛顿推导的F=ma中的m。

注意！

重点来了。

这个惯性质量m并不是我们常说的质量。

什么意思呢？

女神身材非常好，身高170cm，重量只有50kg。

我现在在后面推动女神，会给女神产生一个加速度。

我们代入公式F=ma时，m用的就是女神的重量，也是50kg。

但是！

这是两种完全不同的质量，只是恰好数值相等而已。

女神的重量是引力质量，而不是惯性质量。

惯性质量是物体抵抗外力的能力，而引力质量是物体之间产生引力的原因。

它们的物理意义完全不一样。

这二者绝对不能混为一谈。

至于为何它们俩数值相等，至今都是未解之谜。

而惯性质量和引力质量之间的关系，则是产生广义相对论的核心。

（好了，可以拿去装逼了。）

牛顿在发现完善第二定律后，很自然地就能解释一个问题了。

即为什么物体向上抛出后，又会落到地面。

显然，物体是受到了力的作用。

不然的话，物体应该是一直向上运动才对。

因此，他认为是地球给物体施加了一个力。

而且根据牛顿第三定律，物体之间的力是相互作用的。

所以，牛顿就把这种力命名为“万有引力”。

是万有引力让物体产生了一个加速度，从而改变了运动状态。

并且牛顿还直接给出了万有引力的计算公式，即万有引力定律。

好了，现在问题来了。

牛顿创造了如此辉煌的物理学大厦，他反过头一看，发现还存在一个问题。

即作为他力学理论根基的第一定理和第二定律，有一个限制条件。

那就是它们必须在惯性系下才能成立。

那么惯性系该怎么去定义呢？

聪明的你肯定会说：在不受外力的情况下，静止或者匀速直线运动的参考系就是惯性系。

那我就问：怎么样才算不受外力呢？

聪明的你回答：物体静止或者保持匀速直线运动就是不受力。

我又问：怎么才算物体静止或者保持匀速直线运动呢？

聪明的你又答：物体不受力就......

看出来了吧，这是一个循环论证的问题。

惯性系本身根本没有办法定义。

而且在现实中我们也找不到惯性系的例子。

因为地球在转动（转动是加速运动，不符合惯性系定义），太阳在转动，世界上根本没有惯性系。

牛顿一看，那这肯定不行啊。

我的地基必须无懈可击才行。

于是，牛顿那绝世天才的大脑，突发奇想，定义出一个绝对空间！

他认为：绝对的空间，其自身特性和任何事物无关，处处均匀，永不移动。

牛顿确实牛逼。

他认为绝对的空间就是最大最好的惯性参考系。

这非常符合人们的直觉。

空间无处不在，而且空间不可能运动。

这就是惯性系的定义啊。

这下问题解决了。

凡是相对于绝对空间静止或者匀速直线运动的参考系，它就是惯性参考系。

凡是相对于绝对空间做变速运动的参考系，它就是非惯性参考系。

这个定义让牛顿力学定律有了坚实的基础。

在惯性系中，他的理论是成立的。

那么在非惯性系中呢，牛顿也有妙招，吊的不行。

他引入了【惯性力】来弥补理论的缺陷。

这样自己的理论在非惯性系中，也是可以成立和使用的。

还是举个高铁的例子。

假设一个人在高铁座位的支架上放了一个小球。

如果高铁忽然提速，做加速运动，加速度是x。

那么这个人会立刻看到小球向后也做加速运动，加速度也是x。

但是按照牛顿的理论，小球并没有受到前后方向的力啊，为什么会改变运动状态呢？

牛顿定律在非惯性系中遇到了困难。

但是这难不倒牛顿，他假想出了惯性力这个东西。

小球之所以会运动，是因为受到了惯性力的作用。

其大小和火车的加速度，以及小球本身的质量有关。

所以才叫惯性力，因为惯性而产生的力。

虽然惯性力是一个假力，但它对物体的作用是真实的。

至此牛顿的力学体系完美无缺，可以解释世间的一切力学现象。

直到李奇维和爱因斯坦横空出世，发表了狭义相对论。

证明了绝对空间并不存在！

（具体请看前面的内容，再写一遍怕你们说我水文。）

牛顿关于绝对空间的定义是错误的。

时空本是一体，是相对的。

每个独立运动的物体，都有各自特有的时空。

但是狭义相对论否定了绝对空间后，它也遇到了和牛顿同样的难题。

没有了绝对空间，惯性系该怎么定义呢？

要知道，狭义相对论的第一条公理就是：在一切惯性参考系中，所有物理定律都是等价的。

现在李奇维否定了绝对空间的存在，那他就同样解释不了惯性系的问题了。

狭义相对论只能和牛顿力学定律一样，在惯性系中才是成立的。

而现实中是没有惯性系的。

任何地球上的物体都会受到万有引力的作用，从而产生一个加速度，成为变速运动。

惯性系不存在！

基于一个不存在的东西，推导出来的理论当然就会受到质疑。

这就是狭义相对论的第一个核心缺陷。

此外，根据狭义相对论，任何信息的传递速度不可能超过光速。

但是我们仔细研究万有引力公式就会发现，它并没有限制引力传播的速度。

F=GMm/R。里面并没有涉及到时间参数。

而且牛顿本人就是认为万有引力是瞬时传递的，远远大于光速。

这显然与狭义相对论不符合。

因此，万有引力定律需要改造。

这就是狭义相对论的第二个核心缺陷。

怎么解决呢？

真实历史上，爱因斯坦是从惯性力开始思考的。

首先他自问，引力到底是不是瞬时力？

他认为这不可能，因为不符合狭义相对论。

爱因斯坦对麦克斯韦方程组非常钟爱。

他认为引力的传递也是需要媒介的。

他把这种媒介称为“引力场”，就和电场一样。

既然有了引力场，那么物体所受的引力就等于质量乘以引力场强度。

把它和F=ma一对比，就会自然得到惯性质量和引力质量的比是一个常数。

后来，有物理学家通过实验证明，这个常数是1。

那么就意味着惯性质量和引力质量是相等的。（我们平常说的质量都是指引力质量。）

这可不得了。

当时的所有物理学家都不清楚这种相等背后的本质原理。

他们无法从理论上给出证明。

爱因斯坦也不懂。

不过不懂没关系，爱因斯坦又发挥了他那超级敏锐的物理直觉。

他大胆假设：惯性质量和引力质量是等效的。

即广义相对论的第一个原理：等效原理。（是公理）

【惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的。】

什么意思呢？

举个例子。

一个人站在一艘太空飞船的地面上。

如果这时候飞船以加速度g（地球重力加速度）向上加速运动的话。

那么这个人就会同时受到一个反方向的惯性力。

惯性力把他牢牢地压在地上。

惯性力大小就等于人的惯性质量乘以加速度g。

由于人的惯性质量和人的引力质量是相等的。

此时人受到的加速度又是g，和地球的重力加速度一样。

那么这个人就会感受到，自己和在地球上静止一样。

换句话说，宇宙飞船代替了地球。

飞船加速运动产生的惯性力场代替了地球的引力场。

这个人完全分辨不出自己到底是在地球上，还是在一艘以g加速度运动的飞船内。

两者完全等效。

加速度就是引力，惯性力和引力是等效的。

这就是等效原理的内涵。

有了等效原理后，爱因斯坦再处理狭相的第一个问题，惯性系问题，就非常简单了。

因此有加速度的非惯性系，都可以被看成是惯性系处在了引力场之中。

很好理解吧。

因为加速度和引力场是等效的。

因此，也就没有了所谓的非惯性系。

任何非惯性系都可以看成是惯性系不变，引力场在变。

这样的话，在处理任何非惯性系的问题时，就可以只研究引力了。

这时，爱因斯坦就可以顺理成章地把狭义相对性原理，推广到所有参考系之中了。

即广义相对论的第二个原理：广义相对性原理。（也是公理）

【所有物理定律在任何参考系中都保持不变。】

物理规律不再是只在惯性系中不变了。

至此，广义相对论的两大原理建设完成。

注意，这两个公理并不是胡乱提出的。

而是爱因斯坦对物理定律进行深入的分析后，才大胆假设的。

我们马后炮认为很简单，但那是一百多年前。

接下来，就是爱因斯坦...啊不...李奇维，用这两个原理撬开广义相对论的大门了。

也许聪明的你会问：开始做实验验证吗？

不！

做实验太low了，要做就做思维实验。