等效原理和廣義相對性原理

等效原理

在加速平動參考系中，我們只要對每一個質點引入一個慣性力f=-ma，那麼這個加速系中的物理定律就和在慣性系中的等同。這個慣性力的一個重要特徵是，它永遠與質量(該質量我們稱為慣性質量)成正比。重力也是這樣，也與質量(該質量我們稱為引力質量)成正比。因此，有人提出，有可能重力本身就是一種慣性力，萬有引力或許就是由於我們沒有選取正確的參考系而引起的。

以一個完全封閉的電梯為例。如果此電梯靜止於地球表面，電梯內一個觀察者看到一物以加速度g自上而下運動，他認為此物在地球重力作用下自由下落。電梯內另一觀察者認為根本沒有地，是電梯以加速度-g在運動。與在伽利略大船里無法判斷絕對速度一樣，電梯里的觀察者也無法分辨究竟是電梯在作加速運動，還是地球重力場在起作用。

如果電梯在重力場中自由下落，電梯內自由飄浮於空中的物體就好像處於無重力場的太空中一樣。愛因斯坦指出，電梯向下的落體加速度恰好抵消了該處的重力場，電梯內的觀察者無法斷定電梯是靜止於太空中還是在重力場中自由下落。

上述概念就是等效原理，它是由愛因斯坦提出的著名假設。它告訴我們，究竟是均勻重力加速度g還是參考系加速度的-g，這在局部範圍內是無法加以區分的。一般情況下，要說出給定的力中有多少是重力，有多少是慣性力是不可能的。

由於實際的重力場是非均勻的，它不可能延伸到整個空間，即重力場具有局域性。而加速系是非局域性的，可以均勻地延伸到整個空間。因此，愛因斯坦指出，嚴格地說，每次只有在一個點上才可以吧重力同時看成慣性力，根據這個考慮，他認為世界的幾何性要比普通的歐幾里德幾何複雜得多。

等效原理和廣義相對性原理

在引力質量與慣性質量相等這一實驗事實的基礎上，愛因斯坦證明了均勻引力場中的靜止參考系與一個在沒有引力場的空間中具有適當加速度的加速運動參考系的力學等價性（見上文，稱之為弱等效原理)，把相對性原理進一步推廣到非慣性系，導致了廣義相對性原理的確立，構成了廣義相對論整個理論的基礎。

如果進一步假定任何物理實驗——力學的、電磁的和其他的實驗——都不可能判斷是引力場中的慣性系還是不受引力的加速系，即不能區分是引力還是慣性力的效果，那麼也就是說，這兩個參考系不僅對力學過程是等效的，而且對一切物理過程也是等效的，這就是強等效原理。因為可以把一個加速運動的參考系看成是一個處在引力場中靜止的參考系，這樣，一個參考系的加速度僅有相對的意義，所以愛因斯坦說:「這種想法使得我們不可能說什麼參考系的絕對加速度，正如相對論不允許議論絕對速度一樣。」基於這一認識，1916年，愛因斯坦在他寫的《廣義相對論的基礎》一文中明確地提出了廣義相對性原理:「物理學的定律必須具有這樣的性質，它們對於以無論哪種方式運動著的參考系都是成立的。」由此可見，等效原理是廣義相對性原理的基礎。

下篇預告：10分鐘就能懂的引力時間延緩公式推導

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