等效原理新剖析

第07篇等效原理新剖析41第07篇等效原理新剖析——动力学系列论文08篇之07师教民1,2（1.石家庄广播电视大学科学技术部，河北石家庄050081；2.石家庄经济学院信息工程学院，河北石家庄050031）摘要：剖析了广义相对论中的等效原理，说明了爱因斯坦没有认识到惯性系、惯性质量、引力质量、惯性力的错误以及力的相对性．关键词：等效原理；惯性系；惯性质量；引力质量；惯性力；力相对性原理中图分类号：O412.1文献标识码：A公元第1915年11月25日，爱因斯坦（AlbertEinstein，公元1879.3.14～1955.4.18）用完整的数学表述，创立了最后定稿的广义相对论][21．广义相对论最重要的前提是等效原理．等效原理是爱因斯坦通过两个理想实验总结出来的，这两个实验分别为：1.在遥远的宇宙深处的惯性参照系中，有一个密封的太空船沿z轴方向（向上）加速运动，其加速度为9.8m/s2．假设密封的太空船内有一太空人及一铅球，该太空人在太空船内拿起铅球时感觉到铅球有重力，并且也感觉到自身有重力．他认为其原因可有两种解释：其中一种解释是：太空船在其所处的惯性参照系中沿z轴方向（即向上）加速运动，太空人感觉到的重力就是由于加速系太空船中的惯性力的参与而使得船内地板对人、球的支师子说理三部曲(2)：师子阔论动力学42撑力大于太空船所在惯性参照系施与人、球的重力所致．其中另一种解释是：太空船相对于自己所在的惯性参照系没有做加速运动，而这个惯性参照系的引力场强度是9.8N/kg，太空人感觉到的重力是该惯性系施予他的引力．2.楼中电梯突然断索，电梯在地球引力作用下以9.8m/s2的加速度向下运动．电梯内有一乘客及一铅球，该乘客感觉到铅球及自己浮在半空，亦即处于失重状态．他认为其原因可有两种解释：其中一种解释是：乘客及铅球与电梯一起沿z轴方向（即向下）加速运动，乘客感觉到的失重就是由于加速系电梯中的惯性力的参与而使得梯内地板对乘客及球的支撑力为0N所致．其中另一种解释是：地球惯性参照系的引力场强度是0N/kg，乘客感觉到的失重状态就是由于没有任何力施予自己及铅球．即电梯是加速度为0m/s2的惯性参考系．爱因斯坦由上述两个理想实验总结出弱等效原理和强等效原理．其中弱等效原理表述为：观测者不能在局部的区域内分辨出由加速度所产生的惯性力或由物体所产生的引力．由上述两个理想实验可知，它是由引力质量与惯性质量等价这一事实推演出来的．强等效原理表述为：在时空区域的一点处的引力场可用相应的局部惯性参照系来描述．这就可以把广义相对论与狭义相对论联系起来．后来，弱、强等效原理的表述，经过后人的不断改进和语言加工，最后统一表述为：在无限小的区域内，均匀的引力场和相应的加速运动参照系等效．爱因斯坦的等效原理至少存在下述4条科学错误：1)在等效原理产生的过程中，用到了引力质量与惯性质量等价的问题．其实，引力质量概念与惯性质量概念是错误的，质量第07篇等效原理新剖析43的本质就是物质的多少．所谓惯性质量，就是物体在受力时质量的表现形式而非质量本身；所谓引力质量，就是物体在施力时质量的表现形式而非质量本身．关于质量的本质问题和引力质量概念、惯性质量概念错误的问题，我们已经在文献[3]中做了详细的说明，爱因斯坦没有认识到质量的本质，没有认识到引力质量与惯性质量的错误，仍然把引力质量与惯性质量当成正确的概念加以使用，这就说明爱因斯坦在理论上犯了科学错误．2)在等效原理产生的过程中，用到了惯性参照系的概念．其实，惯性参照系的概念是错误的，惯性参照系是不存在的．我们已经在文献[4]中做了详细的说明：在任何一个参照系中，只要用本参照系中测得的力和加速度去组成牛顿第二运动定律，那么就必然会得出该参照系是惯性参照系的结论，也就是说任何一个参照系都是惯性参照系，因此就没有非惯性参照系了．没有了非惯性参照系，也就没有惯性参照系了．因此惯性参照系根本就不存在．但是，爱因斯坦仍然把惯性参照系当成正确的概念加以使用，这就说明爱因斯坦在理论上犯了科学错误．可能有人说，爱因斯坦在广义相对论中使用的惯性参照系不再是以“牛顿运动定律成立的参照系”为定义的，而是新定义的概念，那就是：在广阔无垠的宇宙深处，总可以找到这样的一个质点，它和其他物体都离得极其遥远，以至于可以认为它不受其他任何物体作用．这样，如果在某个参照系中考察到它的运动状态不发生变化，则这个参照系就定义为惯性系．而一切相对于这个参照系做匀速直线平动的参照系，也都是惯性系．这些惯性系都是平权的，相对于它们，牛顿运动定律都无例外地成立][5．”事实上，这样定义的新型惯性系也存在两个问题：①所谓“和其他物体都离得极其遥远的质点”是无法保证能够找到的．在找不到的情况下，就没有新型惯性参照系的定义了．师子说理三部曲(2)：师子阔论动力学44②人们无法“在某个参照系中考察”“和其他物体都离得极其遥远、以至于可以认为它不受其他物体作用”的质点的“运动状态”是否“发生变化”，从而就无法认定该参照系是否惯性系．因此，在实际中还必须通过观察和实验来认定惯性系，事实上人们也都是这样做的．这样，上述定义的新型惯性系就成了废物，失去了定义的意义，并且还出现了如下的矛盾，即：当人们通过观察和实验认定地球是惯性系后，一定会在地球上考察到那个“和其他物体都离得极其遥远、以至于可以认为它不受其他物体作用”的质点的“运动状态不发生变化”．但是通过观察和实验，有时“就不能把地球视为较好的惯性系、甚至根本就不能把地球视为惯性系了”．在这种新情况下，一定会在地球上考察到那个“和其他物体都离得极其遥远、以至于可以认为它不受其他物体作用”的质点的“运动状态发生变化”．那么，对于这同一个“遥远的质点”相对于同一个地球，一会儿“运动状态发生变化”，一会儿“运动状态不发生变化”，这样的质点能存在吗？所以，上述定义的新型惯性系也和旧有的惯性系一样，在理论中就无法存在，在实践中就更不存在了．再说，广义相对论中还有一条前提叫做协变原理（广义相对性原理），其内容为：一切自然定律在所有参照系中都有相同的形式．该原理的正确性，我们已在文献[4]中做了实践和理论两方面的论证．但是，爱因斯坦承认了惯性系和非惯性系的区别，而牛顿运动定律仅成立于惯性系而不成立于非惯性系，这一现实就否定了广义相对论中的“一切自然定律在所有参照系中都有相同的形式”的前提．这也是爱因斯坦在理论上犯的科学错误．3)在等效原理产生的过程中，用到了惯性力（为了在非惯性系中运用牛顿运动定律而人为认定的力）的概念．其实，惯性力的概念是错误的，惯性力的本质就是有施力物体的作用力．关于第07篇等效原理新剖析45惯性力的本质，我们已经在文献[4]中做了详细的说明，但是爱因斯坦仍然把所谓的惯性力当成正确的概念加以使用，这就说明爱因斯坦在理论上犯了科学错误．4)爱因斯坦在创立狭义相对论的过程中，发现了“在不同速度的参照系中，对同一物体的质量、同一段长度、同一段时间测量的结果不同”的质量相对性原理、空间相对性原理、时间相对性原理，但是他却没有乘胜追击，继续发现“在不同加速度的参照系中，对同一物体的加速度和受到的力测量的结果不同”的加速度相对性原理和力相对性原理．而我们却在文献[4]中发现了加速度相对性原理和力相对性原理．例如，在做自由落体运动的电梯中，用弹簧秤测得静止在电梯中的物体A的加速度为0；受到的重力为0；在地面上，测得物体A的加速度为g，受到的重力为mg．又如，在绕太阳做椭圆周运动的地球上，测得静止在地面上的物体B的加速度为0，受到的合力为0；在太阳上，测得物体B的加速度为2rMK，受到的合力为2rMmK．我们把加速度和力在不同加速度的参照系中测量结果的不同分别叫做加速度相对性原理与力相对性原理．如果爱因斯坦能够发现上述的加速度相对性原理与力相对性原理并认识到惯性系的错误，那么他就根本用不着再将均匀的引力场和相应的加速运动参照系等效了，从而就不必再创立广义相对论了，只用狭义相对论的知识解决广义相对论要解决的问题就行了，当然，必须先剔除狭义相对论中的科学错误．从上述分析的结果看来，爱因斯坦虽然坚持了错误概念引力质量和惯性质量，但是他却用把引力质量和惯性质量等价的手段承认了质量概念的唯一性（即物质质量）的现实；爱因斯坦虽然坚持了惯性系和非惯性系的本质不同，但是他却用提出“一切自师子说理三部曲(2)：师子阔论动力学46然定律在所有参照系中都有相同的形式”的协变原理（广义相对性原理）的手段，否决了惯性系的特殊地位；爱因斯坦虽然没有发现加速度相对性原理与力相对性原理的客观性和正确性，但是他却用提出“均匀的引力场和相应的加速运动参照系等效”的手段，实现了加速度相对性原理与力相对性原理促成的客观效果．也就是说，爱因斯坦虽然没有创造出新的正确的理论，但是他却猜对了那些新理论应该解决的问题的实践结果．这正像微积分理论的创始人英国数学家、哲学家、物理学家牛顿(IsaacNewton，公元1642.12.25～1727.3.20)和德国数学家、哲学家、自然科学家莱布尼茨(GottfriedWilhelmLeibniz，公元1646.7.1～1716.11.14)虽然没有从理论上解决微分dx≠0和dx0的矛盾或微分之谜或微积分之谜或贝克莱悖论或第二次数学危机，但是他们却猜对了导数值一样．猜对也是对，所以猜对的结果，也能准确地解决生产实践中的许多重大问题．所以，猜对结果的牛顿、莱布尼茨、爱因斯坦都不愧为伟大的科学家．然而他们猜对的结果，也需要我们创立新的理论体系去解释．我们的专著《动力学之谜与美》《低速力学新原理》《匀速力学新原理》做到了这一点儿．参考文献：[1]爱因斯坦[德美]．狭义与广义相对论浅说[M]．杨润殷译．上海：上海科学技术出版社，1964．[2]爱因斯坦[德美]．相对论的意义[M].李灏译．北京：科学出版社，1961．[3]师教民．质量概念新剖析[J]．2007．[4]师教民．惯性系力新剖析[J]．2007．[5]常利.牛顿运动定律[M].北京：北京教育出版社,1987．[6]师教民．动力学之谜与美[M]．石家庄：河北科学技术出版社，2007．第07篇等效原理新剖析47[7]梁绍荣，刘昌年，盛正华．普通物理学第1分册力学[M]．北京：高等教育出版社，1987：147150；168170．[8]张元仲.狭义相对论实验基础[M].北京：科学出版社，1979,9．[9]刘辽，张允中．狭义相对论[M]．石家庄：河北教育出版社，1987．ANewAnalysisoftheequivalenceprinciple——ArticleNo.07intheSeriesof08ofthedynamicsShiJiao-min1,2(1.DepartmentofScienceandTechnology,ShijiazhuangRadioandTelevisionUniversity,Shijiazhuang050081,China；2.InformationEngineeringCollegeinShijiazhuangEconomicInstitute,Shijiazhuang050031,China)Abstract：Weanalyzetheequivalenceprincipleinthegeneralrelativity.ExplainedthatEinsteindidnotrealizeerrorsoftheinertialreferencesystem，theinertialmass，thegravitationalmass，theinertialforce，andtherelativityoftheforce.Keywords：theequivalenceprinciple；theinertialreferenceframe；theinertialmass；thegravitationalmass；theinertialforce；therelativityprincipleofforce作者简介：师教民（1945−），教授，河北晋