本文,首先將會從牛頓定理的視角,介紹慣性質量與引力質量的概念、意義與關系。
接著,將會沿著愛因斯坦發覺相對論的邏輯與路徑,深入淺出地剖析與相對論原理有關的,眾多有趣概念。
最后,將會從一個不同的視角,去重新考量質量、力、加速度與物質之間的關系。
主題目錄如下:
慣性質量
首先,牛頓提出了牛頓第二定理,并定義了慣性質量——就是物體改變運動狀態難易程度的測度。也就是說,質量越大,越無法改變運動狀態,質量越小,越容易改變運動狀態。
或換句話說,質量存在一種慣性,但是質量越大慣性越大。而慣性,如同是質量所表現出的“惰性”,或說是對加速度的“抗性”,由于它總是企圖保持原有的運動狀態——靜止或勻速直線運動。
后來發覺運動狀態,可由動量變化描述,運動狀態不變,即是動量不變,也就是沒有加速度。
引力質量
接著,牛頓發覺了萬有引力,于是就有了引力質量——就是物體相互之間吸引力大小的測度。也就是說,質量越大吸引力越大,質量越小吸引力越小。這些吸引力形成了,重力和重力加速度,而重力即是在月球上檢測下來的重量大小。
質量為1千克的物質,遭到外力9.8牛頓時所形成的重量——稱為1千克重。通常常用質量單位來取代重量,蘊涵除以重力加速度(mg)。
后來發覺,引力由引力場形成,引力質量形成引力場,但是引力場在空間上并不均勻,會形成引力差——而這就是形成潮汐力的誘因。
慣性質量與引力質量
至此,我們可以看見,慣性質量(m=F/a)須要通過動量變化能夠測得,靜止的物體就無法測出慣性質量。但引力質量(m=F/g)即使靜止(例如在月球表面),也可以通過重力與重力加速度(常量),測出引力質量。
但是,通過實驗發覺,引力質量和慣性質量成正比列關系。
其實,這兩種質量描述的角度不同,一個是形成吸引力的能力,一個保持運動狀態的能力,但倘若三者的比列對一切物體相同,這么就可把它們當成同一個量來對待,由于選定一個合適的單位,就可以令比列常數為1,即引力質量與慣性質量相等。
化學學家厄缶,改進了卡文迪許的扭秤設計,證明了引力質量和慣性質量是相等的,為等效原理鋪下基石。
這說明了,在引力場中,物體的加速度與其質量無關,只與引力場有關。
由于物體在引力場中,遭到的吸引力就是它所受的外力,結合萬有引力與牛頓第二定理(GMm/r^2=mg),這么兩個公式中,物體的引力質量與慣性質量互相抵消,就只剩下了與引力場有關的加速度(g=GM/r^2)。
這可以理解為,物體的引力質量越大,等效的慣性質量就越大,而慣性質量代表著對加速度的“抗性”,所以無論物體的引力質量多大,其相關的加速度,就會被“抗性”抵消,最終在引力場中,保持重力加速度恒定。
而從受力角度來看,物體在引力場中形成的萬有引力(GMm/r^2),來自兩個部份:一個是物體的引力質量(m),一個是引力場的引力質量(M)。但物體的引力質量,被其自身的慣性質量給抵消了,所以物體的加速度,只與引力場的引力質量(M)有關。
不過,假如物體的引力質量降低,萬有引力(GMm/r^2)會由于引力質量(m)降低而降低——顯然,萬有引力,不包含慣性質量的“反作用”。
所以,物體在引力場中,其引力質量(m=F/g)與其受力(萬有引力F)成反比——這也是檢測引力質量的原理所在。
這么可見,引力場——能夠讓一切物體的加速度相同,即反應了——引力質量與慣性質量相等的事實。
慣性系與非慣性系
運動是相對的,所以運動須要參照物,參照物可以是一個物體,可以是一個區域,還可以包含相對運動的物體在其內部,最主要的是可以在參照物上構建座標系,所以參照物又稱為——參考系。
參考系分為兩種:慣性系與非慣性系。
慣性系,顧名思義,就是符合慣性定理的參考系,即物體在其中的維持其慣性狀態——靜止或勻速直線運動。
非慣性系,其實就是不合符慣性定理的參考系,即相對于慣性系,有加速度的參考系。
那身處在一個參考系的內部,怎么曉得這個參考系有沒有加速度呢?換句話說,就是怎樣曉得所在的參考系,是慣性系還是非慣性系呢?
事實上,最有效的辦法,就是做實驗,驗證參考系中物體的運動,是否符合慣性定理。而這就是,在局部視角中,判定慣性系與非慣性系的關鍵。
慣性力
在非慣性系中,物體的運動不符合慣性定理,即會有加速度。但是,按照牛二定理,有加速度必然都會受力,但在局部視角中,我們看不到這個力的來源,只能看見加速度的真實存在。
比如,在加速行駛的車輛中,車上的小球會自發的加速向車尾運動;或則忽然制動,車上的小球會忽然加速向車頭運動。此時,小球的加速度,在車內找不到施力源。
但是,從全局視角來看,物體相對非慣性系有加速度,非慣性系相對慣性系有加速度,這兩個加速度——大小相同、方向相反。于是,物體的加速度正好就“抵消”了非慣性系的加速度,令其在慣性系中保持慣性狀態。
比如,在加速的車輛外型察,車上的小球會靜止不動,直至小球撞擊到車尾抵擋物,才能“被迫”和車輛一起做加速運動。
所以,在非慣性系中,物體的加速度是始于物體的慣性引力和重力的區別,即:慣性質量對非慣性系加速度的“抗性”,也就是在慣性系中,慣性質量對自身加速度的“抗性”。
為此,在非慣性系中,物體加速度的施力源——就是慣性質量,而這個力就稱之為——慣性力。而且,慣性力與慣性質量成反比,由于物體的加速度仍然與非慣性系的加速度大小相等,這么慣性質量越大,物體的受力,即慣性力(F=ma),也都會越大。
其實,慣性力——是一種假想的不存在的力,由于在宏觀上,慣性力不是由互相作用形成的,而是慣性質量本身的慣性性質。但慣性力的效用——卻是真實的存在,其代表著制止慣性質量運動狀態改變的力,或說是保持慣性質量運動狀態不變的力。
這么,綜上可見,慣性力須要在非慣性系,能夠彰顯下來,或說是在非慣性系,須要引入慣性力能夠應用牛二定理(否則加速度找不到施力源)。
而事實上,我們可以看見,非慣性系自身的受力與加速度才是真實發生的,物體在非慣性系中的慣性力與加速度,都是相對的。由于從全局來看,物體在非慣性系中,發生碰撞之前,是處在慣性狀態的,而在碰撞過后,形成接觸受力,物體的慣性力和慣性狀態才會消失。
弱等效原理
在引力質量等效于慣性質量的視角之上,經過一番思想實驗,愛因斯坦提出了,弱等效原理——就是在局域,引力與慣性力,難以分辨。
這兒蘊涵的一個概念就是,引力在距離遠近上并不均勻,而慣性力則是均勻的,但在無窮小的時空范圍內,引力的不均勻可以近似等于均勻。
這么,與之對應的一個思想實驗,就是:在引力場中靜止的飛船,其中的物感受遭到引力,在太空中加速的飛船,其中的物感受遭到慣性力,而通過適當調整飛船的加速度,就可以讓慣性力等于引力。于是在飛船之中,通過熱學實驗,就難以分辨物體遭到的是引力還是慣性力,也難以分辨,此時飛船是在引力場中靜止,還是在太空中加速。
所以,弱等效原理,也可以描述為——在局域,引力場與加速場,難以分辨熱學效應。其實,在非局域,引力場不均勻有潮汐力,而加速場均勻,是可以通過熱學實驗分辨的。
接出來,更進一步的一個思想實驗,就是:在引力場中,飛船做自由落體運動,此時飛船中物感受遭到向上的引力,同時飛船是一個向上加速的非慣性系,這個非慣性系中的物感受遭到一個向下的慣性力,但是這個慣性力與引力相等。于是,物體的引力與慣性力抵消,處在了失重的狀態。而在另一個場景里,飛船漂浮在太空之中,構成了一個慣性系,飛船中的物體同樣也處在失重狀態。結果在飛船之中,就難以分辨,飛船是在引力場中自由下落,還是在太空中漂浮。
由此,我們可以看出:
這么,弱等效原理,還可以描述為——在局域,引力場與慣性場(即慣性系),難以分辨熱學效應。也就是說,在引力場中,通過選定一個合適的參考系——自由落體的非慣性系,就可以抵消引力,令引力場局域等效于慣性系。
但是,引力場也可以看成是一個非慣性系。這么,在引力場中自由落體,也就可以等效于,在非慣性系中自由落體。
于是可以想像,在非慣性系,受慣性力自由落體的物體,從全局來看,其必然是處在慣性狀態的——因為物體的加速運動,雖然是相對非慣性系的,而非慣性系自身,才具有真正的加速運動。
為此,弱等效原理,又可以描述為——在局域,非慣性系與慣性系,難以分辨熱學效應。也就是說,在非慣性系中,通過選定一個合適的參考系——如自由落體的非慣性系,就可以讓兩個慣性力互相抵消,令非慣性系局域等效于慣性系。
事實上,化學學家馬赫,曾強調:加速物感受遭到慣性力,是因為它相對全宇宙所有物質加速,這相當于全宇宙的物質相對它做反向加速,進而對該物體施加一個作用,就是慣性力?!獝垡蛩固拱堰@個思想稱為馬赫原理,并從中得到了巨大的啟發。
強等效原理
更進一步,愛因斯坦假定了,強等效原理——就是在局域,引力場與慣性場(即慣性系),難以分辨數學學效應。
等價的描述有:
這么,強弱-等效原理的區別在于:
由此可見,弱等效——不能代表時空等效,而強等效——則可以代表在無窮小處的時空等效。而無窮小的時空假如等效,這么由無窮小的時空組成的全局時空,也就是等效的。
為此,時空之中就只有非慣性系——它由無窮小的慣性系組成。所以,一切座標系都是平權的,即客觀的數學規律,應當在任意座標系下均有效,且應是協變的——這就是廣義協變性原理,稱作廣義相對性原理。
這么,慣性系的數學規律——由狹義相對論描述,應當也可以應用于非慣性系,包括引力場。
于是,從強等效原理可以得出,引力場可以由多個局部慣性系組合上去,等效去描述。由于無窮多個局部慣性系,組成了一個全局非慣性系,包括引力場。這在物理上,就是對局部慣性系,應用狹相估算,之后做積分的結果,等同于在非慣性系,應用廣相估算的結果。
這么同理,多個局部慣性力組合上去,也就可以等效于全局(不均勻的)引力。
由于,通過切換參考系,以形成慣性力的物體本身構建座標系,這么局部非慣性系,就轉弄成了局部慣性系。此時,這個局部慣性系,就成為了一個質點,沒有慣性力,沒有加速度,只有瞬時速率。
事實上,強等效原理的重要意義,就在于:在引力場中,通過選定合適的加速參考系,就可以抵消引力,進而讓引力在局域消失。
這么試想,在引力場中,自由落體運動,處在了慣性系的失重狀態,這說明了哪些?雖然這說明了,每位局域引力與慣性力都抵消了,因而在由局域組成的全域,物體也就不再受力了。
但是從全局視角來看,物體仍在引力場中做勻加速運動,是何解?要曉得,全域由無窮多個局域組成,每位局域都是慣性系,沒有力與加速度,這么全域的引力與加速度,是怎樣從無窮多個慣性系之中涌現而至的呢?
此時,愛因斯坦的想像力發揮了作用,他覺得引力根本就不存在,引力場是時空幾何結構彎曲的產物,物體的自由落體運動,雖然就是在時空彎曲結構中,順著測相線不受力的自由運動,而這就是處在了——四維時空的慣性系。
測相線——可以定義為空間中兩點的局域最短或最長路徑,又稱大地線,或近程線。
這么可見,在四維時空,引力就是彎曲,直線就是曲線。這么,只受引力的勻加速直線運動,就相當于是在平直時空,不受力的勻速直線運動。
這么,從時空彎曲的角度來看,在無窮小的時空范圍內(即慣性系中),時空曲率為0,也就是引力不存在。接出來,每位時空質點都不存在引力,而時空質點構成的幾何結構,最終就涌現出了,引力的宏觀表現。
時空曲率——意味著幾何結構未能在二維平面展開,如球面、馬鞍等,而像圓錐則可以在二維平面展開。
時空彎曲
于是,愛因斯坦在強等效原理之上,建立了廣義相對論——其核心就是,物質決定時空怎樣彎曲,時空決定物質怎么運動。
也就是說,時間和空間不可分割的組成了時空,時空的彎曲產生了引力場,形成吸引力。而引力質量越大,時空彎曲程度越強,產生的引力場就越強,引力也就越大。最后,引力決定了宏觀物質的運動。
由此可見,引力質量——就弄成了時空彎曲程度的測度。
而引力質量和慣性質量,似乎是同一個本質緣由,所形成的不同角度的宏觀表現,因而這個相同本質形成的時空影響,也是等效的。所以,等效的慣性質量,也都會有時空彎曲效應。這可以理解成,運動加速度越大,慣性質量就越大,等效的引力質量就越大,即:運動加速度可以提高引力場。
這么,其實的是,當處在有加速度狀態的物體,改變其運動狀態更難——這是相當于降低了慣性質量。由于物體有加速度即有受力,此時改變其運動狀態就須要克服——慣性力與受力,這相當于前往同樣的加速度,卻降低了慣性力(m=F/a),因而相當于降低了慣性質量。
事實上,在狹相中,只有慣性質量,并沒有引力質量,但慣性質量等效于引力質量,于是廣相,清除了質量的前綴“引力”與“慣性”,只剩下一個“質量”,并重新定義了慣性系,令其組成了非慣性系,于是狹相通過局域聯接到了全域,這相當于把引力和慣性力都轉移到了時空彎曲上,而時空彎曲始于——(無差異的)質量。
最后,須要強調的是,愛因斯坦只提出過等效原理,強弱等效原理是后來的分辨。由于其實,弱等效原理早已被直接驗證了,但強等效原理仍然都難以被直接驗證——目前仍然是一個假定。誘因就在于,弱等效驗證力等效——比較容易,而且強等效驗證一切數學規律等效——并不好設計試驗。
但有趣的是,強等效原理是廣相的基礎,隨著廣相不斷的被驗證正確——這反倒支撐了,強等效原理的正確性。
力與加速度
力是絕對的,不具有對稱性。由于力是相對于宇宙中所有物質的,而不是相對參考系的。這可以理解為,力的作用是改變自身的運動狀態,而自身的運動狀態,是一種與宇宙整體狀態相關的絕對變化。
這么,受力都會形成加速度,加速度即是運動狀態的改變,所以加速度也具有不對稱性。
比如,A受力有加速度B靜止,并不等同于,A靜止B有相對加速度。由于A受力是相對宇宙整體的引力和重力的區別,而B相對宇宙整體一直不受力。因而,A會形成絕對時間膨脹,B則不會。
但是,加速度的相對性,須要分兩種情況來看:
第一,相對于慣性系,加速度是絕對的。也就是說,慣性系中有加速度的物體,相對于勻速物體——無論速率是多少,加速度都是絕對的,即:速率的變化量是恒定的。其實,這是由于慣性系中的物體,受力才能形成加速度,而力是絕對的。
第二,相對于非慣性系,加速度是相對的,但受力效用是絕對的。也就是說,加速度之間是相對的,但只有真正受力的,才具有絕對加速度,不受力的具有相對加速度。
絕對加速度——可以通過參考系內的熱學實驗檢測得出。諸如,有加速度的飛船,構成了非慣性系,在其中進行熱學實驗,就可以得出絕對加速度。
相對加速度——是通過參考系的相對加速運動得出的。諸如,一個有加速度的飛船,相對于另一個有加速度的飛船,就具有相對加速度。而假如兩個飛船的絕對加速度一樣,這么二者的相對加速度就為0,即相對靜止。但顯然,兩個飛船的受力效應是絕對存在的。
不過絕對加速度的受力,必須是真實存在的力,而不能是贗力——如慣性力。
比如:在非慣性系的自由落體運動,慣性力形成的加速度,就是相對加速度,由于此時物體仍然保持慣性狀態,其加速度是相對于參考系的相對加速度,而參考系受力形成的是絕對加速度。
其實,假如認可了時空彎曲,這么引力就是贗力,由于在引力場自由落體運動,物體處在慣性狀態,其重力加速度是相對于引力場的相對加速度,而(不均勻的)引力場是時空彎曲的絕對效應——等效于多個加速場的絕對加速度。
最后,加速度雖然可以分解為,無加速度的切換參考系。
其原理就在于,把加速度分解成無窮多個,瞬時速率的組合,此時那些瞬時速率所在的參考系,沒有受力沒有加速度,但每位參考系的速率都不同。于是加速度運動,就可以看成是,在這種參考系之間的切換,即不停的換系。而每次換系,相對速率就會變化。
這么,在此視角下,就是去不僅加速度,只剩下了一系列的相對速率。這背后的意義就在于,換系會形成不同的相對速率,這在歷史變化中,就一定出現過受力與絕對加速度,否則一切都是相對靜止的。
重新考量——宏觀質量
如今,我們須要明晰一個重要的概念,即質量、力、加速度這三個量的關系,是誰決定了誰?
首先,力與加速度,其實是有力才有加速度,而且力越大加速度就越大——是力決定了加速度。
其次,質量越大引力就越大,沒有質量就沒有引力——顯然是質量決定了引力。
但實際上,我們會發覺,無論是引力質量還是慣性質量,都是通過力去檢測的,即通過引力去檢測——引力質量,通過改變運動狀態的力去檢測——慣性質量。
比如,在月球上靜止不動,就難以檢測慣性質量,但可以檢測引力質量;在外太空難以檢測引力質量,但可以通過力與加速度,去檢測慣性質量。
這么其實,沒有力,就不能測出質量。而我們可以說,引力質量——度量了引力的大小,慣性質量——度量了慣性力的大小。
所以,質量雖然測度了力。
于是,質量彎曲了時空,也可以說,是質量測度的力——彎曲了時空。而時空彎曲,是相當于時間與空間的幾何結構一起“被拉長”,形成了時間膨脹與引力場。
這么,加速度——無論是重力加速度,還是運動加速度——都會形成時間膨脹效應與引力場,由于加速度來自于力,而力可以由引力質量與慣性質量,共同來等效彰顯。
但是,盡管引力等效于慣性力,重力加速度等效于運動加速度,但引力場并不等效于加速場(慣性力場)。由于,引力場是不均勻的——引力各處不同,加速場是均勻的——慣性力處處相同,而我們可以把加速場看成是一種——均勻的引力場。
事實上,引力場與加速場,彰顯的是力場在空間中的分布,而力場在質點上表現出的互相作用,則就是引力與慣性力??梢?,質量所測度的力,雖然是力場互相作用的合力。
這么,力來自于哪些呢?
其實,假如物質沒有變化,就不會有力,也不會有加速度。要曉得,任何一個互相斥力,就會來始于一個后置的物質變化來形成。而物質變化,最終會來自于微觀的運動。
這么,假如我們認可了,時間和空間都屈從于物質的變化,并構成了緊密聯系不可分割的時空。這么,物質與時空也就是不可分割的整體,不會存在沒有物質的時空,或是沒有時空的物質。
為此,物質變化,就必然會同時彰顯在,質量和時空之上。也就是說,質量描畫了物質變化的一個側面,時空描畫了物質變化的另一個側面,而二者則描畫的是同一個物質本質。
于是,物質變化——不僅帶來了力,也同時讓質量與時空一起變化。所以,質量可以測度時空變化,即時空彎曲率,也可以測度物質變化帶來的互相作用,即引力與慣性力。可見,引力、慣性力、時空變化,雖然都是物質變化,透過質量的彰顯。
這么可以想像,引力質量等效慣性質量——是由于二者背后對應了同一個微觀的物質變化,之后形成了不同的宏觀表現,即是引力與慣性力。
而事實上,引力和慣性力,只是一種宏觀力,在微觀的物質變化,就會形成其它的微觀力(即強力、弱力、電磁力),但是微觀力,也會有相應的質量(動質量與能量)來彰顯。
所以其實,假如想要厘清楚質量的真正本質,而不是它測度了哪些,我們就須要厘清楚——物質的微觀組成,以及微觀力(強力、弱力、電磁力)是怎樣形成的?