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重力对光线传播的影响
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爱因斯坦的目标正是从物理中消除“绝对空间”
的概念。
这项任务很艰巨,因为像反冲、离心力这样的现象似乎只能用绝对空间的效应来解释。
而且,爱因斯坦1905年建立的相对论理论仅讨论了匀速直线运动,没有涉及加速度。
一种新的观念将引入物理学,并将带来意义更加深远的改变。
有时候,将当前问题的根源与另一个更久远的问题联系起来,往往能通往当前问题的解决。
实验室中,小车的加速度和光线的偏折或许不是由实验室本身的加速度造成的,而是可能有真正的力作用于小车或者光线上,并根据牛顿第二定律引起了它们状态的变化。
该怎样区分这两种情况呢?对于人或者机械装置施加的外力,两种情况有这样的差别:对于有两个被施加了相同力的质量不同的小车,根据牛顿第二定律,动量[14]的变化率等于受力,那么较轻的小车会获得更大的加速度;另一方面,如果加速度是由惯性力造成的,则质量不同的小车的加速度都是相等的。
因此,由真正的力(像推力和拉力)造成的加速度会依赖于物体的质量,而反冲力和离心力造成的加速度不依赖于质量。
但爱因斯坦也发现,有一种“真实”
的力会使所有的受力物体具有相同的加速度,这就是引力[15]。
自伽利略时代起,我们就知道,当空气阻力的作用可以忽略时,所有的物体无论其质量大小,都会以相同的加速度下降。
这种现象并不违背牛顿的力学体系,因为他简单地假设重力的大小与物体的质量成正比。
在地球表面,用W代表物体受到的重力,则牛顿的假设在数学上可表达为W=Mg,其中M是物体的质量,g是依赖于物体位置的一个常数。
由牛顿第二定律,力等于动量的变化率,即Mg=Ma,那么两边的质量可以同时被约掉,有a=g。
因此,伽利略已告诉人们,重力造成的加速度与物体质量无关,都是同一个常数g,即重力加速度。
爱因斯坦意识到,万有引力的特殊性将导致通过非惯性系中物体的运动计算非惯性系自身的加速度时,会出现一些问题。
我们不能判断实验室中小车的加速度是由于实验室本身的加速度,还是由于在我们不知道的某处存在万有引力的作用。
为了解决这一问题,爱因斯坦凭借他敏锐的逻辑分析能力,奠定了重建力学体系的基础。
就像他1905年的论文一样,爱因斯坦再次将物体的运动与光的传播联系起来,并于1911年发表了名为“überdenEinflussderSchwerkraftaufdieAusbreitues”
[16]的文章。
爱因斯坦从下面的思想实验出发,假设一个电梯参考系L,它可以竖直向上或向下运动,电梯中的物体相对它的运动可观测。
如果电梯被电缆支撑而保持静止不动时,电梯里的任何物体B自由下落的加速度都是重力加速度。
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