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等效原理是引力的最基本的物理性质。在任何一个时空点上都可以选取适当的参考系,使一切物质的运动方程中不再含有引力项,即引力可以局部地消除。如果认为这种消除了引力的参考系是惯性系,那么,等效原理告诉我们,在任何一个时空点,一定存在局部惯性系。伽利略最早注意到,不同物体沿斜面的下滑运动是一样的,即引力加速度与物体的组成无关。

等效原理是广义相对论的第一个基本原理,也是整个广义相对论的核心。其基本含义是指重力场与以适当加速度运动的参考系是等价的。爱因斯坦于1911年注意到这一规律,1915年正式以原理的形式提出。



弱等效

弱等效原理原是指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,而它是由引力质量与惯性质量成正比例这一事实推演出来,这个关系首先是由伽利略及牛顿用一系列的实验断定出来。

强等效

强等效原理是指在时空区域的一点内的引力场可用相应的局域惯性参考系去描述,而狭义相对论在其局域惯性参考系中完全成立。

强等效原理并不能从弱等效原理推演而出,仅仅只是弱等效原理的一个抽象结果。利用广义相对论几何方式(时空度规张量、时空曲率张量)去描述引力(引力场强度、引力势)的基础即在此原理之上。由于引力场本身是与引力场源的距离有关,形成了引力场在时空分布中并不均匀,是不能用一个全域的加速参考系去描述,即是用一个全域的加速参考系去抵消各时空点上的引力。但每一点的引力场是有一个相应的引力场强度,可用有一个与之相等的加速度(相对于静止的观察者)的局域的加速参考系,亦即是局域惯性参考系(相对于加速的观察者)去描述,即是用一个局域的加速参考系去抵消各相应的时空点上的引力,然后将各个局域惯性参考系的关系统合起来(即是曲率和能动张量的关系),就可对全域的时空作抽述(例如运动定律)。



设K是一个伽利略参照系,它是这样的一种参照系,相对于它(至少在所考查的四维区域内),有一个同别的物体离得足够远的物体在作匀速直线运动。设K’是第二个坐标系,它相对于K作均匀加速的平移运动。因此,一个离开别的物体足够远的物体,相对于K’该有一加速运动,而其加速度及其加速度的方向都同这一物体的物质组成和物理状态无关。

一位对K’相对静止的观察者能否由此得出结论,说他是在一个“真正的”加速参照系之中呢?回答是否定的;因为相对于K’自由运动的物体的上述性状可以用下面的方式作同样恰当的解释。参照系K’不是加速的;可是在所讨论的时间-空间领域里有一个引力场在支配着,它使物体得到了相对于K’的加速运动。

这种观点之所以成为可能,是因为经验告诉我们,存在一种力场(即引力场),它具有给一切物体以同样的加速度那样一种值得注意的性质。物体相对于K’的力学性状,同在那些被我们习惯上当作“静止的”或者当作“特许的”参照系中所经验到的物体的力学性状,都是一样的;因此,从物理学的立场看来,就很容易承认,K和K’这两参照系都有同样的权利可被看作是“静止的”,也就是说,作为对现象的物理描述的参照系,它们有同等的权利。

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