第307章 廣義相對論兩大基本原理！（盟主加一更！）
慣性這個詞語，日常生活中我們經常遇到。
比如，一列火車疾馳而來，即便它已經開始剎車，但也不能立刻停下來。
因為我們知道火車具有慣性。
並且在普通人的認知中，物體的質量越大，則它的慣性越大。
然而，很少有人真正思考過，慣性的本質是什麼？為什麼質量可以衡量慣性的大小？
這是因為我們受到的教育，並不是從頭開始的，而是預設了很多內容。
物理學嚴格算起來，應該是從伽利略開始的。
古希臘的那幫人，他們更注重的是思想的辯論，而不是具體的實驗。
比如關於運動。
古希臘哲學家上來就研究運動的本質，討論物體為什麼會運動。
但是卻不去研究物體到底是怎麼運動。
說白了，他們不去研究過程，直接討論結果。
而伽利略不同。
他是第一個將理性思維和實驗結合起來的人。
他通過實驗去研究物體的運動過程，從而發現規律。
其中慣性定律就是他最重要的發現之一。
伽利略認為物體的靜止狀態和直線勻速運動狀態，是完全等價的。
並且他給這種狀態起了一個名字，就叫：慣性系。
什麼意思呢？
比如人在高鐵上，如果把窗戶都關上，假設軌道非常平滑，高鐵沒有一點顛簸。
那麼其實人是感覺不到自己在運動的。
在沒有其他參照系的情況下，是不可能分清勻速直線運動和靜止的。
而所謂的慣性，就是物體保持這種狀態的能力。
並且基於慣性系的概念，伽利略又發現了一個重要定律。
那就是相對性原理。
說的是在任何慣性系中，力學定律總是保持不變。
什麼意思呢？
你在高鐵上做自由落體實驗，和你在地面靜止時做自由落體實驗。
兩種情況下，看到的物體運動過程完全一樣。
小球都是筆直下落，測出來的加速度也完全一樣。
這就是相對性原理。
它非常符合人類的直覺體驗，而且很容易用數學公式表達出來。
因此它和慣性定理一樣，都是公理、公設。
意味著你可以去嘗試證偽，但是沒有辦法證明。
牛頓完全繼承了伽利略的兩大力學定律。
在此基礎上，提出了牛頓力學三大定律。
所以，牛頓說他站在巨人的肩膀上沒有錯，伽利略就是那個巨人。
牛頓是繼承而不是生搬硬套。
首先，他給慣性定律下了一個嚴格的定義。
即一個質點或者物體在不受外力的情況下，它將保持靜止或者勻速直線運動。
這就是牛頓第一定律。
牛頓就是牛頓，和普通人不一樣。
他沒有滿足既有的定律，而是想的更深一步。
那物體要是在慣性運動的時候，突然給它施加一個力會發生什麼。
這就是牛頓第二定律。
即力會改變物體的運動狀態，產生一個加速度。
用數學公式表達就是F=ma。
不管是後世還是現在，只要是剛接觸物理學的人，學到的第一個物理公式恐怕都是它。
看起來非常簡單，小學生都會算。
但會算沒用。
其實你並沒有思考過公式背後的深刻道理。
牛頓當時在研究第二定律的時候，他就在思考一個問題。
為什麼同樣大小的力施加在不同的物體上，產生的加速度會不一樣呢？
聰明的你立刻回答：因為質量m不一樣啊。
恭喜你，答錯了！
因為當時牛頓還沒有推導出這個公式。
牛頓認為是慣性的原因。
物體的慣性總是讓它傾向於保持原有的運動狀態。
即物體的慣性是一種反抗外力的能力、固有屬性。
慣性越大，反抗能力就越強；反之，慣性越小，反抗能力就越弱。
而慣性的大小，可以用【慣性質量】來表示。
也就是牛頓推導的F=ma中的m。
注意！
重點來了。
這個慣性質量m並不是我們常說的質量。
什麼意思呢？
女神身材非常好，身高170cm，重量只有50kg。
我現在在後面推動女神，會給女神產生一個加速度。
我們代入公式F=ma時，m用的就是女神的重量，也是50kg。
但是！
這是兩種完全不同的質量，只是恰好數值相等而已。
女神的重量是引力質量，而不是慣性質量。
慣性質量是物體抵抗外力的能力，而引力質量是物體之間產生引力的原因。
它們的物理意義完全不一樣。
這二者絕對不能混為一談。
至於為何它們倆數值相等，至今都是未解之謎。
而慣性質量和引力質量之間的關係，則是產生廣義相對論的核心。
（好了，可以拿去裝逼了。）
牛頓在發現完善第二定律後，很自然地就能解釋一個問題了。
即為什麼物體向上拋出後，又會落到地面。
顯然，物體是受到了力的作用。
不然的話，物體應該是一直向上運動才對。
因此，他認為是地球給物體施加了一個力。
而且根據牛頓第三定律，物體之間的力是相互作用的。
所以，牛頓就把這種力命名為「萬有引力」。
是萬有引力讓物體產生了一個加速度，從而改變了運動狀態。
並且牛頓還直接給出了萬有引力的計算公式，即萬有引力定律。
好了，現在問題來了。
牛頓創造了如此輝煌的物理學大廈，他反過頭一看，發現還存在一個問題。
即作為他力學理論根基的第一定理和第二定律，有一個限制條件。
那就是它們必須在慣性系下才能成立。
那麼慣性系該怎麼去定義呢？
聰明的你肯定會說：在不受外力的情況下，靜止或者勻速直線運動的參考系就是慣性系。
那我就問：怎麼樣才算不受外力呢？
聰明的你回答：物體靜止或者保持勻速直線運動就是不受力。
我又問：怎麼才算物體靜止或者保持勻速直線運動呢？
聰明的伱又答：物體不受力就.
看出來了吧，這是一個循環論證的問題。
慣性系本身根本沒有辦法定義。
而且在現實中我們也找不到慣性系的例子。
因為地球在轉動（轉動是加速運動，不符合慣性系定義），太陽在轉動，世界上根本沒有慣性系。
牛頓一看，那這肯定不行啊。
我的地基必須無懈可擊才行。
於是，牛頓那絕世天才的大腦，突發奇想，定義出一個絕對空間！
他認為：絕對的空間，其自身特性和任何事物無關，處處均勻，永不移動。
牛頓確實牛逼。
他認為絕對的空間就是最大最好的慣性參考系。
這非常符合人們的直覺。
空間無處不在，而且空間不可能運動。
這就是慣性系的定義啊。
這下問題解決了。
凡是相對於絕對空間靜止或者勻速直線運動的參考系，它就是慣性參考系。
凡是相對於絕對空間做變速運動的參考系，它就是非慣性參考系。
這個定義讓牛頓力學定律有了堅實的基礎。
在慣性系中，他的理論是成立的。
那麼在非慣性系中呢，牛頓也有妙招，吊的不行。
他引入了【慣性力】來彌補理論的缺陷。
這樣自己的理論在非慣性系中，也是可以成立和使用的。
還是舉個高鐵的例子。
假設一個人在高鐵座位的支架上放了一個小球。
如果高鐵忽然提速，做加速運動，加速度是x。
那麼這個人會立刻看到小球向後也做加速運動，加速度也是x。
但是按照牛頓的理論，小球並沒有受到前後方向的力啊，為什麼會改變運動狀態呢？
牛頓定律在非慣性系中遇到了困難。
但是這難不倒牛頓，他假想出了慣性力這個東西。
小球之所以會運動，是因為受到了慣性力的作用。
其大小和火車的加速度，以及小球本身的質量有關。
所以才叫慣性力，因為慣性而產生的力。
雖然慣性力是一個假力，但它對物體的作用是真實的。
至此牛頓的力學體系完美無缺，可以解釋世間的一切力學現象。
直到李奇維和愛因斯坦橫空出世，發表了狹義相對論。
證明了絕對空間並不存在！
（具體請看前面的內容，再寫一遍怕你們說我水文。）
牛頓關於絕對空間的定義是錯誤的。
時空本是一體，是相對的。
每個獨立運動的物體，都有各自特有的時空。
但是狹義相對論否定了絕對空間後，它也遇到了和牛頓同樣的難題。
沒有了絕對空間，慣性系該怎麼定義呢？
要知道，狹義相對論的第一條公理就是：在一切慣性參考系中，所有物理定律都是等價的。
現在李奇維否定了絕對空間的存在，那他就同樣解釋不了慣性系的問題了。
狹義相對論只能和牛頓力學定律一樣，在慣性系中才是成立的。
而現實中是沒有慣性系的。
任何地球上的物體都會受到萬有引力的作用，從而產生一個加速度，成為變速運動。
慣性系不存在！
基於一個不存在的東西，推導出來的理論當然就會受到質疑。
這就是狹義相對論的第一個核心缺陷。
此外，根據狹義相對論，任何信息的傳遞速度不可能超過光速。
但是我們仔細研究萬有引力公式就會發現，它並沒有限制引力傳播的速度。
F=GMm/R。裡面並沒有涉及到時間參數。
而且牛頓本人就是認為萬有引力是瞬時傳遞的，遠遠大於光速。
這顯然與狹義相對論不符合。
因此，萬有引力定律需要改造。
這就是狹義相對論的第二個核心缺陷。
怎麼解決呢？
真實歷史上，愛因斯坦是從慣性力開始思考的。
首先他自問，引力到底是不是瞬時力？
他認為這不可能，因為不符合狹義相對論。
愛因斯坦對麥克斯韋方程組非常鍾愛。
他認為引力的傳遞也是需要媒介的。
他把這種媒介稱為「引力場」，就和電場一樣。
既然有了引力場，那麼物體所受的引力就等於質量乘以引力場強度。
把它和F=ma一對比，就會自然得到慣性質量和引力質量的比是一個常數。
後來，有物理學家通過實驗證明，這個常數是1。
那麼就意味著慣性質量和引力質量是相等的。（我們平常說的質量都是指引力質量。）
這可不得了。
當時的所有物理學家都不清楚這種相等背後的本質原理。
他們無法從理論上給出證明。
愛因斯坦也不懂。
不過不懂沒關係，愛因斯坦又發揮了他那超級敏銳的物理直覺。
他大膽假設：慣性質量和引力質量是等效的。
即廣義相對論的第一個原理：等效原理。（是公理）
【慣性力場與引力場的動力學效應是局部不可分辨的。】
什麼意思呢？
舉個例子。
一個人站在一艘太空飛船的地面上。
如果這時候飛船以加速度g（地球重力加速度）向上加速運動的話。
那麼這個人就會同時受到一個反方向的慣性力。
慣性力把他牢牢地壓在地上。
慣性力大小就等於人的慣性質量乘以加速度g。
由於人的慣性質量和人的引力質量是相等的。
此時人受到的加速度又是g，和地球的重力加速度一樣。
那麼這個人就會感受到，自己和在地球上靜止一樣。
換句話說，宇宙飛船代替了地球。
飛船加速運動產生的慣性力場代替了地球的引力場。
這個人完全分辨不出自己到底是在地球上，還是在一艘以g加速度運動的飛船內。
兩者完全等效。
加速度就是引力，慣性力和引力是等效的。
這就是等效原理的內涵。
有了等效原理後，愛因斯坦再處理狹相的第一個問題，慣性系問題，就非常簡單了。
因此有加速度的非慣性系，都可以被看成是慣性系處在了引力場之中。
很好理解吧。
因為加速度和引力場是等效的。
因此，也就沒有了所謂的非慣性系。
任何非慣性系都可以看成是慣性系不變，引力場在變。
這樣的話，在處理任何非慣性系的問題時，就可以只研究引力了。
這時，愛因斯坦就可以順理成章地把狹義相對性原理，推廣到所有參考系之中了。
即廣義相對論的第二個原理：廣義相對性原理。（也是公理）
【所有物理定律在任何參考系中都保持不變。】
物理規律不再是只在慣性系中不變了。
至此，廣義相對論的兩大原理建設完成。
注意，這兩個公理並不是胡亂提出的。
而是愛因斯坦對物理定律進行深入的分析後，才大膽假設的。
我們馬後炮認為很簡單，但那是一百多年前。
接下來，就是愛因斯坦啊不李奇維，用這兩個原理撬開廣義相對論的大門了。
也許聰明的你會問：開始做實驗驗證嗎？
不！
做實驗太low了，要做就做思維實驗。
(本章完)