在广义相对论中,引力和加速度是等效的,那身处地球两端的人岂不是越来越远?

这是对“引力和加速度是等效”的这句话的过度理解导致的,我们先通过一则思想实验来引出这句话的来源。

这个思想实验被称为“爱因斯坦电梯

假设小明站在一个电梯内,出于某些原因,电梯突然竖直的往下掉落,从地面看来,电梯的下落加速度等于重力加速度,也就是说:小明在电梯内是处于完全失重状态,此时他松开手中的电筒,发现这个电筒并没有往电梯底部运动,当然了,这一点很好理解,因为电梯内部的一切物体都是处于失重状态。

但如果我们改变条件,假设小明并不知情电梯失去了外源拉力,甚至他都不知情自己身处的是什么地方,那么他将对此刻身体的感觉以及“漂浮”的电筒作何解释呢?很自然的想法,他可能会觉得自己身处太空,在一个不受引力,做惯性运动的小容器内。

因此我们可以得到一个结论:一切力学实验都无法证明你是身处于一个自由下落的电梯,还是一个不受引力影响的惯性容器内

反过来,我们还可以得到:一切力学实验都无法证明你是处于地球表面,还是一个在太空中作匀加速(数值等同于地表重力加速度)运动飞船内

这正是题目中“引力与加速度等效”这一说法的来源

而上述的结论正是所谓的“弱等效原理”的描述。而爱因斯坦还对其进行了升级,将一切力学实验改为一切物理实验,称为“爱因斯坦等效原理”。

由此可以看出,等效原理并没有说“处于引力场中的物质,其实也在做加速运动”(引号里的话正是题目中所表达的意思,否则也不会认为地球两端的人会相互远离了)

再额外提两点:

前面那个思想实验,之所以提到小明手中拿的是电筒,正是为了顺便提一下“光线弯曲”这一现象。因为自由下落的电梯与惯性运动的容器不加以区分,因此在这两者内部所做的实验结论都是相同的。

此时我们假设电筒是打开的,先来看惯性运动的容器内部,显而易见,光束必定走的是一条直线,那么这个结论也在自由下落的电梯内成立(小明看到的也是直线)但对于地面观察者来说,光束走直线的结论不成立,这一点很容易理解,因为电梯在地面系内是运动的,光束从一端飞向另一端,自然就成了弯线


②虽然等效原理似乎明确表示了“引力场和加速度等效”,但这并不等同于“作加速运动的飞船内部真实产生了引力场”。

这一误解更多的出现在关于“双生子佯谬”的讨论中,有人认为飞船经历了加速过程,因此飞船内部等同于有引力场,而广义相对论认为引力场会对时间产生影响。

但实际上飞船内部自始至终都没有产生真正的引力场,因为广义相对论认为引力只是时空弯曲的表现,而飞船在空旷的宇宙中飞行,并不涉及弯曲时空,即便考虑到飞船自身产对时空的影响,那也不足以和地球上的兄弟在年龄上产生那么大的差距。

判断时空是否弯曲,可以通过潮汐效应是否成立来进行。飞船内部所谓的“引力场”不产生潮汐效应,因此是一种感觉上的引力;而真正由时空弯曲表现出的引力,必定会产生潮汐效应(只有明不明显之分)。所以双生子佯谬是属于狭义相对论的问题。(注意,狭义相对论可以讨平直时空下的任意运动)


总的来说,标题的问题是因为对等效原理产生了误解才有的。

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问题本身就有毛病,引力和加速度怎么会等效呢?力是产生加速度的必备条件,因怎么能等效于果呢?引力可以产生加速度,但不会等效于加速度。第二个问题,就算你说的等效成立,我不知道怎么会得出这样的结论的。引力确实能产生加速度,但前提是没有外力与它产生平衡,站在地面上的人收到引力的同时地面对他有支撑力,这个力和引力大小相等方向相反,抵消了,两个人不会越离越远。假如没有了地面的影响,可想而知人会掉往地心,两人应该是靠近才对啊。啊,码字好累,主要不知道你怎么得出的结论,所以不知道怎么回答……

2022-03-21

2022-03-21