每日小知识-爱因斯坦的电梯

爱因斯坦假设理想的电梯配备了各种实验工具,并且实验物理学家能够自信地进行各种测量。当电梯相对于地球静止时,电梯中的实验物理学家将测量电梯中的所有物体都受到作用力。如果没有其他力与该力保持平衡,则该力将导致物体掉落到

电梯的地板和所有物体掉落时的加速度是相同的。因此,实验物理学家可以得出结论,他所在的电梯受到了外部引力的作用。

如果允许电梯本身自由移动,则实验物理学家会发现电梯中的一切不再受原始力的影响,物体的加速度消失,并且电梯中的一切不再显示引力的迹象。苹果和羽毛可以自由地留在空间中。实验物理学家可以走在电梯的底部,也可以走在电梯的顶壁或侧壁上。步行所需的力完全相同。在这一点上,实验物理学家无法通过观察任何物体的任何机械现象获得任何引力存在的迹象。

爱因斯坦进一步指出,在理想的电梯中,实验物理学家不仅无法通过机械现象获得引力的迹象,而且无法通过任何其他物理实验获得引力的迹象。也就是说,在该理想电梯的参考系中,完全消除了重力。电梯中的实验物理学家不可能通过物理现象来判断电梯外部是否存在诸如地球之类的重力源,也无法测量电梯是否在做加速运动。这就像伽利略设计的Salvati船。船上的观察者无法判断大船是否正在通过物理现象移动。

通过理想的电梯实验,爱因斯坦发现了重力的最重要特征:可以在任何局部范围内找到参考系,从而完全消除了重力作用。在物理学的其他力中没有发现这种引力特性。由于电磁力,粒子之间的强相互作用力和弱相互作用力无法通过选择适当的参考系来完全消除。

“爱因斯坦电梯”的理想实验抽象出了广义相对论的重要原理,即等价原理:相对于惯性系统均匀加速的非惯性系统等效于引力场。