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[076] “爱因斯坦电梯”理想实验

2012-12-01 17:18阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2219599522

“爱因斯坦电梯”理想实验
 狭义相对论建立以后，爱因斯坦并没有止步。他认为狭义相对论还有许多问题没有解决。例如：为什么惯性坐标系在物理学中比其他坐标系更优越？为什么惯性质量随能量变化？为什么一切物体在引力场中下落都具有同样的加速度？刚刚经受住考验的狭义相对论，为什么一用到引力场中就遇到矛盾？爱因斯坦感到极大的困惑。但他坚信自然界的和谐与统一，认为要么对惯性坐标系为什么特别优越作出解释，要么放弃惯性坐标系的优越地位。
爱因斯坦考虑应该把相对性原理推广到任意参照系中，建立更为普遍的物理理论。他后来写到：“物理学的定律必须具有这样的性质，它们对于以无论哪种方式运动着的参照系都是成立的。沿着这条道路，我们就达到了相对合理的扩充。”“普遍的自然规律是由那些对于一切坐标系都有效的方程来表示的。”
那么，推广应该从哪里入手呢？首先要解决的问题是什么呢？我们知道，只有当系统不受外力或外力为零时才能作为惯性参考系。地球上的物体要受到地球的引力；地球处于太阳系中，要受到银河系各星体的引力……自然界各物体之间普遍存在的引力，说明要把相对论原理推广到任意参照系，引力是不可回避的问题，首先必须研究引力。
问题的决定性突破，是由一个天才的理想实验取得的。用爱因斯坦1922年回忆创建广义相对论过程的话说：“有一天，突破口突然找到了。当时我正坐在伯尔尼专利局办公室里，脑子里突然闪现了一个念头：如果人正在自由下落，他决不会感到他有重量。我吃了一惊，这个简单的理想实验给我的印象太深刻了，它把我引向引力理论。我继续想下去：下落的人正在做加速运动，可是在这个加速参照系中，他有什么感觉？他如何判断面前所发生的事情？”这就是被物理学家称为“爱因斯坦电梯”的理想
实验。下面我们具体看一下这个理想实验：
爱因斯坦假设，理想电梯中装有各种实验用具，并且有一位实验物理学家在里面安心地进行各种测量。当电梯相对于地球静止的时候，电梯里的实验物理学家将测出电梯里的一切物体都受到一种力。若没有其他的力与这种力相平衡，这种力就会使物体落向电梯的地板，并且所有物体下落时的加速度是相同的。由此，实验物理学家能够得出结论：他所在的这个电梯受到外界的引力作用。
如 果让电梯本身做自由下落的运动，实验物理学家将会发现，电梯里的一切物体都不再受到原来那种力的作用，物体的加速度没有了，电梯里的一切都不再表现出任何受引力的迹象。苹果和羽毛皆可以自由地停留在空间，实验物理学家可以在电梯底部行走，也可以在电梯顶部或侧壁行走，各种行走所需的力气完全相同。此时，实验物理学家通过观测任何物体的任何力学现象都不能获得任何引力存在的迹象。
爱因斯坦进一步指出，在理想电梯中，那位实验物理学家不仅通过力学现象得不到引力存在的迹象，而且通过其他任何物理实验都不能得到引力存在的迹象。这就是说，在这个理想电梯的参照系中，引力被完全消除了。电梯中的实验物理学家既不可能通过物理现象来判断电梯外面是否存在一个地球这样的引力作用源，也不能测量出自己的电梯是否在做加速运动。这就像伽利略设计的萨尔维阿蒂大船，船里的观察者无法通过物理现象判断大船是否运动一样。
通过电梯的理想实验，爱因斯坦发现了引力的最重要的特性：可以在任何一个局部范围内找到一个参照系，使其中的引力作用被全部消除。引力的这一特性是物理学中其他力都没有的。因为电磁力、粒子间的强相互作用力和弱相互作用力，都是不可能用选择适当参照系的方法完全消除的。
“爱因斯坦电梯”理想实验抽象出广义相对论的一个重要原理，即等效性原理：一个相对于惯性系做匀加速运动的非惯性系与存在引力场等效。有了等效性原理这座桥梁，爱因斯坦就能够顺利地把相对性原理从惯性系推广到非惯性系，即推广到任意参照系，于是广义相对论的建立有了关键性的突破。

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