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如果引力是一种惯性力

已有 6150 次阅读 2010-9-14 06:22 |个人分类:物理哲思|系统分类:科研笔记

马赫的观点:“在非惯性系中物体所受的惯性力不是"虚拟的",而是一种引力的表现。”

“惯性力是宇宙中其他物质对该物体的总作用;物体的惯性不是物体自身的属性,而是该物体与宇宙中其他物质作用的结果。”     

马赫的精辟见解被爱因斯坦取名为马赫原理。

然而,我们究竟应该如何理解马赫的上述观点呢?

一个物体的惯性是该物体与宇宙中其他物质相互作用的结果?这种作用是什么作用?如果说,我们承认已知的基本作用只有四种,即,引力作用,电磁作用,弱相互作用和强相互作用。那么看起来,这四种作用都不是马赫所说的那种可以让物体产生惯性的作用。因而,要想以马赫原理为出发点在现有的物理学理论框架内建立起一套新的物理理论是十分困难的,因为我们找不到惯性的起源。尽管爱因斯坦十分推崇马赫原理,然而,在他建立广义相对论时也不是直接以马赫原理为基础的,而是将马赫原理做了修改,即等效原理。等效原理可以表述为:引力和惯性力是等效的。等效原理的表述意味着,引力和惯性力虽然十分相似,但是仍然是有着本质的不同的。爱因斯坦提出等效原理是基于一种想象实验,即,设想在外太空中,一个人处于一个与外界没有联系并正在做加速运动的飞船中,那么这个人将感受到惯性力,而另一个人处于同样一个与外界没有联系的飞船中,不同的是,飞船静止在地球上,这个人将感受到引力。那么这两个人将没有任何办法区分其受到的力是惯性力还是引力。可以说,爱因斯坦以这样一个理想实验为其等效原理提供了依据。在等效原理的基础上,爱因斯坦建立了广义相对论。这使我们看到,仅仅将马赫原理弱化,即弱化为等效原理,就能使我们得到广义相对论。意识到这一点之后,很自然的一个问题就是,如果我们严格沿着马赫指出的道路前进,不做一点弱化,即承认惯性力就是一种引力,那么我们将得到什么?

如果惯性力就是一种引力,那么反过来,其逆定理也应该成立,即引力也是一种惯性力。初看起来,这似乎很矛盾,惯性力是某种引力也许我们可以想象,即,加速运动的飞船中的人可以将自己受到的惯性力看做引力。然而,引力是一种惯性力是什么意思呢?如果说地球上的人受到的地球的引力是惯性力,那么意味着地球正在加速膨胀。这个看起来似乎显然是矛盾的,我们的地球并没有加速膨胀。然而,当我们提到加速膨胀这个词时,我们想到了什么呢?我想每一个做宇宙学的都应该想到,我们的宇宙正在做加速膨胀。接下来要问的是,当我们的宇宙做加速膨胀的时候,宇宙中的物质受到惯性力了吗?如果我们认为一切做加速运动的物体都应该感受到惯性力,那么宇宙的加速膨胀也应该使得宇宙中的所有物体受到惯性力。让我们说的再明白一点,即,由于我们的宇宙正在加速膨胀,那么,宇宙中所有有质量的物体都应该受到某种惯性力,因此,这种惯性力可以称之为“万有惯性力”。这种惯性力,应该在宇宙的每个角落,在宇宙中的每个有质量的物体上都被观测到。至此,再明显不过了,即,我们每天都感受到的万有引力,其实就是万有惯性力。这也就意味着,引力的起源恰恰是宇宙的加速膨胀。然而,目前的宇宙学在对待这个问题时采取了完全相反的态度,即,总是企图用引力理论来解释宇宙的加速膨胀,这种企图把原因与结果颠倒了。

那么,如果承认引力是一种惯性力,是不是说它与我们日常见到的惯性力就没有区别了呢?显然不是,我们日常所观察到的惯性力场都是一种均匀力场,而引力场显然是一种有心力场。导致这种区别的原因是什么呢?原因在于,产生引力的加速运动是宇宙的加速膨胀。宇宙加速膨胀是一种有别于我们日常见到的加速运动的,日常见到的加速运动都发生在三维空间中,空间本身没有变化,然而,宇宙加速膨胀是一种时空本身的加速运动,要想描述这种加速运动,我们需要设想宇宙的三维空间和一维时间是镶嵌在高维时空中的一种结构。宇宙的加速膨胀是四维时空在高维时空中的加速膨胀。在马赫的时代,没有高维时空的概念,因而马赫无法给出惯性力和引力的之间联系的具体方式。但是,马赫从哲学的思辨上认识到,一个物体的惯性是和整个宇宙的某种属性相联系的。现在看来这种整个宇宙的某种属性应该就是宇宙的加速膨胀。如今,随着物理学的发展,高维时空已经被越来越多的物理学家所接受。在这种情况下,我们再回过头来思考马赫的哲学观点,并为其哲学观点建立相应的物理理论或许不再是不可能的了。

如果上面的论述是对的,那意味着我们对引力的本质有了一个全新的认识。这将推动物理学的统一,即四种基本相互作用的统一。对四种基本相互作用力中每一种力的深入认识都将有利于它们的统一。



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2 赫英 唐常杰

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