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相对论之等效原理的虚伪 说等效原理虚伪，是说它既虚又伪。虚，指引力场与惯性力场（加速参考系）的力学效应是局域不可分辨的弱等效原理，在广义相对论中表现为虚，不能说是错误的但没有应用的价值；伪，指引力场与惯性力场的一切物理效应都是局域不可分辨的强等效原理，在广义相对论中表现为伪，是个不成立的伪命题。 一、等效原理的创造 （一）爱因斯坦的推论 爱因斯坦在《狭义与广义相对论浅说》的“19 引力场”中推论： 爱因斯坦这段话，利用牛顿力学中已有的惯性质量与引力质量相等的试验事实，经简单推导作为定论充当广义相对论的公设。他在“20 惯性质量和引力质量相等是广义相对论公设的一个论据”中，用思想试验作了等效原理产生的由此及彼的细致描述。由于原文很长不便引用，下面仅用其意思概括为下段内容： 设想有一个密闭的实验室（也叫封闭箱或升降机），在地面引力场中，实验室中的一切物理实验与地面上的物理实验相同。若这实验室在一个没有引力场的空间，实验室中的人会因无力作用而失重悬浮，与自由落体运动的失重（有重力与惯性力抵消）的情况相似。令实验室受力（某种生物或妖怪的力）作匀加速直线运动，人体上会从无力失重变为有惯性力作用，当匀加速度等于9.8米/秒平方时，人体上的惯性力与地面上的重力相等，人会感觉与地面上一样，以为实验室回到地球地面上身体受到地球引力。爱因斯坦正是通过这个实际不存在也办不到的空想的思想实验，自我感觉证明了引力场与无引力加速参考系的物理效应相同并提升为原理。 解析广义相对论的等效原理的构造过程，就会发现：爱因斯坦先用引力质量与惯性质量相等为基础，然后通过实验室或升降机的思想试验，推出隐含引力和惯性力作用的人身感受，再用这种等效为根据，提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系，而且满足一切物理规律。 （二）等效原理的内容 科学研究的理论，即作者原始论文或专著承载的理论并不好直接应用，要由其他理论工作者作规范化处理才能作为应用教材或课本应用。现在各种材料上关于等效原理的表述都是经规范化处理的。广义相对论作为应用理论后，等效原理有多种有所差异的表述。 爱因斯坦关于等效原理的表述：在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。这种说法好像不令人满意，于是理论规范者又作了适当的改进。等效原理的一般表述是：一切物理定律在匀强引力场和加速的参考系中的效果是一样的。更细致的表述为：在处于均匀的恒定引力场影响下的惯性系所发生的一切物理现象，可以和一个不受引力场影响的但以恒定加速度运动的非惯性系内的物理现象完全相同。大多材料将等效原理分为强等效原理和弱等效原理，弱等效原理：引力场与惯性力场的力学效应是局域不可分辨的；强等效原理：引力场与惯性力场的一切物理效应都是局域不可分辨的。 爱因斯坦从（加速度）=[（引力质量）/（惯性质量）]*（引力场强度）的关系式推论：“适当地选取单位，我们就可以使这个比等于一。因而我们就得出下述定律：物体的引力质量等于其惯性质量。”这个推论不令人满意。适当地选取单位，使这个比等于一，是说引力质量与惯性质量的比等于一，按公式推导惯例应该推出的是引力场强等于加速度。只有先使引力场强与加速度二者之比等于一，才能合乎逻辑地推出引力质量等于惯性质量，即（引力质量）=[（加速度）/（引力场强度）]*（惯性质量）。爱因斯坦的推导本末倒置或自我定义，从等于推出等于。 加速度是什么？是速度的变化率。引力场强度是什么？是引力场空间位置上对单位质量物体的引力。速度的变化率等于单位质量物体受的引力，尽管物理量数量上正确，但总缺乏可比的物理意义。其实，等效原理的实质，是GMm/rr=ma,而不是GM/rr=a。这是因为等效原理是依据语言描述和想象的人身感受得出的，不是数学的推导和计算得出的。大多关于等效原理的表述不提（可能是不愿承认）引力和惯性力的等效，变力的等效为局域引力场和加速参考系等效（其中的物理效应等效），这是将等效概念的外延无限扩大而包罗整个物理，其正确性如何不难想象。 等效的含义，应该是不同的作用产生等同的效果而不是某种相等关系。比如，一辆客车与一所房子容纳的人相等，我们不能说客车与房子等效。若排拆引力与惯性力，取用引力场与加速系等效，无异于比方中的客车与房子等效。从这种意义上说，引力质量等于惯性质量不能说等效，加速度等于引力场强也不能说等效。引力场强与加速度两种物理量的“等于”关系仅属等效的因素，须要转化或体现为两种力才能产生相应的力学效应。 等效原理凭借实验者的感受。引力场中失重感受与无引力加速系的无重感受相似甚至等效，但二者的机理不同，一个是重力与惯性力平衡，一个是无力的悬浮。而引力的感受要实验者在引力场中静止（如站在地面上），惯性力的感受要在加速系中脚踏实地（不在悬空状态）。因而失重和无重感受是表面现象，感受到力在人体上的作用才是实质的感受。 （三）自由落体运动与等效原理 广义相对论建立后，爱因斯坦与别人说：1907年11月的某一天，我坐在伯尔尼专利局的办公椅上，一个灵感突然出现在头脑里。我突然想到，如果一个人自由坠落，他就不会感觉到自身的重量。我惊呆了。这一简单的假想实验给我留下了深刻印象。它引导我提出引力理论。 物体的自由落体运动，是物体从空中落向地面的运动，忽略科里奥利力及其他因素的影响，认为物体竖直下落方向指向地心。人们最先从理论上理解自由落体运动，是亚里斯多德的质量大下落快的错误理论，直到伽利略的比萨斜塔试验验证不同质量的铁球同时着地，人们接受了自由落体运动与物体的质量无关的理论，还是知其然不知其所以然，即仅看到自由落体的现象还不理解实质。普通物理力学不承认有惯性力（理论力学承认惯性力但不认为是真实的），也就无法解释自由落体的失重问题。爱因斯坦受自由落体启发推论等效原理，但也没有用力的抵消理解自由落体运动。 作自由落体运动的物体上，除重力外，还有与重力等大反向的惯性力，二力抵消致使自由落体的物体完全失重。以升降电梯为例：当人在加速度a向上运动的电梯内，会感到超重，因为人体上的受力是mg+ma；当人在加速度a向下运动的电梯内，会感到失重，因为人体上产生的惯性力与重力方向相反（mg-ma），抵消了一定量的重力。当电梯的加速度等于g时，人体上的惯性力的大小正好等于重力的大小，二力完全抵消，合力为零，人与电梯都处于完全失重状态，跟航天员在飞船中失重的情况相似。 二力抵消也就是二力平衡。以前我们见到的物体上的二力平衡，是物体在静止状态下的平衡和匀速直线运动状态下的平衡。物体作自由落体运动的运动状态与其质量的大小（或物体的重力大小）无关，就是因为物体上存在着重力和惯性力大小相等方向相反的二力平衡，这是物体作非惯性运动的二力平衡。物体有加速度才有惯性力，这个惯性力发自物体本身抵抗外力，不产生如外力作用使物体运动状态改变那样的效果，所以物体上的这种二力平衡不影响物体的匀加速运动。 爱因斯坦的推论中的（力），没说明是什么力，也没说明两个（力）发生在什么情况下。(力)＝(引力质量)×(引力场强度)的公式中，显然（力）是引力。而(力)＝(惯性质量)×(加速度)的前提是牛顿运动定律，这个（力）显然是物体上的合外力。由于假设加速度的起因是引力，也就把合外力换成了引力，公式简化为（引力）＝(惯性质量)×(加速度)，变为引力等于惯性力。两种（力）取一消去了合外力，又等同一个物体的自由落体运动。这是殊途同归还是歪打正着，相对论者可能没有察觉。 等效原理的推论没有用自由落体运动，但用加速参考系便隐含惯性力。爱因斯坦没有惯性力概念，建立等效原理用引力质量等于惯性质量绕了一个圈子。若用引力与惯性力等效直接推论等效原理，则很简单。有关等效原理中的惯性力（惯性力场）概念，应该是相对论者对相对论理论应用作规范化处理后添加的。 二、等效原理相关的概念 （一）引力质量和惯性质量 引力质量和惯性质量是牛顿力学的概念，并且已知二者基本相等。为验证引力质量与惯性质量是否精确相等，从提出这两个概念到当今都有人做试验，据说已精确到10负14-15次方内两种质量的相等仍旧成立。其实，本来就不应该分成两种质量及做是否相等的验证，使验证引力质量与惯性质量相等试验的人白白浪费许多时间和才力。 在牛顿力学体系的物理力学中，质量定义为：质量是物体所含物质的多少。这个定义从度量事物的数量来描述物体的质量不太准确。其实质量一词中的“量”，含有物质多少的意思，即这种量的意思以数量大小自动包含在质量概念之中，不必再加以说明或强调“多少”。物体是物质的形状，但有的物质没有固定的形状，因而定义物质说“物体所含物质”也不必要。说质量是物质的量度，或说质量是物质的数量量度：这样定义或表述质量可能更好一些。 从物质的量度来说，不同物质可以有不同的质量或相同的质量，其质量的意义是相同的，不因物质的种类不同而有特定质量，这就是质量与物质成分无关。质量只有单一的词义没有其他内涵和外延。正如同质量的一块铁与一块木头，说两物体的物质多少相同仅从量度的数量而言。给质量附加某种属性，冠名什么质量，将本来单纯的质量名词复杂化，实属画蛇添足自找麻烦。质量属于物质，可说物质质量不能说质量物质。引力和惯性与物质有属性关系，可说物质引力、物质惯性，不能说引力物质、惯性物质。引力和惯性与质量没有所属关系，因而引力质量和惯性质量概念不合逻辑。 质量依附于物质，不是物质或物体的属性，准确说质量有所属（属于物质）没有性（性质），因为质量只有单一的量的大小意义。不同物质的质量同义，不同物质不能给质量以对应的属性。人们在认识事物上将物质惟一的质量本质造成不同属性而划分成不同的本质，是主观的构词或建立概念的逻辑混乱。不管质量怎么定义，拿一块物体确定它的质量，行动上或用其引力的测量（天平）或用其外力和加速度测量计算（惯性称）。这是用不同的方法和手段测定质量，而方法和手段不能决定事物的属性，所以引力测量和惯性测量都不能使质量有所附属。 惯性质量依赖牛顿第二定律，只有运动状态的改变时物体才有惯性质量，这就是说物体保持在静止或匀速直线运动状态时不存在惯性质量。物体时而作匀速直线运动时而作非惯性运动，惯性质量伴随着时有时无，从而定义惯性质量是没有意义的。从前述的分析上，保守说惯性质量与引力质量不可平起平坐，直白说惯性质量概念根本就是错误的，连带引力质量概念也不必须的。 爱因斯坦为了使相对论包括引力而利用等效，推导引力质量与惯性质量相等为等效原理打基础并没有实际用处。物体的不同情况或运动状态不影响质量（若用狭义相对论的速度使质量变大反而麻烦，等效原理就不能成立），只用一个质量与用两种质量相等没什么不同也不影响等效。实际上，无论等效原理的各种表述的涵义如何，都不能缺少引力与惯性力的作用。
引力是万有引力的简称。引力是物质的基本属性。物体内粒子有引力，物体与物体间有引力。物质为什么有引力，跟为什么有物质一样，是物理的本原，就像数学上的公理一样，不须要证明。引力的存在，我们承认和利用就行，知其然不必知其所以然。有些人听信某种谬论否定引力，岂不知若没有引力，物质就不能成为物体，更不用说天体了，也就不会有宇宙和生命了。 关于惯性力，顾名思义，惯性力与物体的惯性有关。惯性是物体的固有属性。物体在任何运动状态下都有惯性，这就是说物体在静止或匀速运动状态下有惯性，物体受力作加速运动时同样有惯性，但匀速与加速状态的惯性表现不同。物体在静止或匀速直线运动状态时的惯性表现为“保持”；物体在受力作非惯性运动时的惯性表现为“反抗”。惯性“保持”不产生力的作用，惯性“反抗”要产生力的作用。 普通物理学拘泥牛顿学说（牛顿力学理论缺陷之处），不承认有真实的惯性力，只认为惯性力是虚拟的、假想的一种力。这也来源于一个思想试验：设火车内光滑的茶桌上有一小球，火车匀速运行时小球不动，火车加速运行时小球也加速向后运动。火车上人看到小球在加速运动，不知这是对火车加速运动的相对运动，反而认为有一力作用在小球上，但找不到这个力的施力物体，只好把这个力叫做虚拟力。其实，小球之所以运动，正是小球在运动方向上没有力的作用，它在保持自己原有的相对地面静止的惯性状态，跟放在路基上的一块石头也加速向后运动的情况一样。 惯性力是物体受力作加速（有加速度）运动时，物体的惯性使物体产生的反抗作用。匀加速直线运动物体上的惯性力等于物体的质量与加速度的乘积（这是牛顿第二定律的力学方程意义）。匀速圆周运动物体上的惯性力也叫离心力，等于物体的质量与向心加速度的乘积。物体作直线运动的惯性力与物体上的合外力大小相等方向相反作用在一条直线上。物体作匀速圆周运动的惯性离心力与物体的向心力方向相反作用在一条直线上。惯性力使提供外力的物体受到反作用力。在各种力中，只有惯性力贯串牛顿三定律。 惯性力与引力的相同处都是分散分布在物体各处，受力分析时当作从物体质心发出的一个集中力；不同处是物体上的引力是别物体（包括地球或天体）施加的力，惯性力是物体本身产生的力。受机械力作用的物体的惯性力反作用于施力物体，受引力运动的物体的惯性力作用于自身可抵消部分甚至全部引力。引力与惯性力在受力物体上的表现是相似的甚至是等价的，也就产生相同或相近的效果。引力和惯性力是构成等效原理的惟一一对搭档，用别种力取代惯性力根本不行。这也体现等效原理的应用狭窄，根本不能满足所有的力学效应。 引力可由物体对空间非接触物体的影响用引力场表现也来。引力场就是物体表现作用的空间，但这个场空间就是通常所说的空间而不是由所谓的场物质构成。引力场概念是为了更好描述物体对别物体影响和数学计算的简便。地球对物体的引力，在物体上的表现叫做重力，利用重力时往往忽略地球给予好像物体本身产生和发出的。惯性力属于“内力”，由物体本身产生和发出，只有直接作用没有超距作用（只有基本力才有超距作用）。惯性力不能形成惯性力场，任何直接作用力都不能形成力场，只有超距作用才能形成力场。 等效原理中与引力场配对的是加速参考系。参考系是参照物的概念扩展。参照物可是任何物体。它是用来确定或计算物体运动的参考标志，但只作为一个点利用。参考系可以是地面或任何运动的物体或天体。参考系的意义在于地面或任何运动的物体或天体上的研究对象（物体）的位置及变动，它是人在物体上建立坐标的假设而不是自然存在的。参考系总要有具体的物体为依托，脱离物体的参考系没有意义。运动的物体可作运动参考系，匀加速直线运动的物体也就称为加速参考系或简称加速系。 三、等效原理的勉强和虚伪 （一）等效原理的平常和近似 物体上有力的作用，要看力的作用效果或产生的结果。两力的作用效果相等或相似，理所当然说两力的作用等效。许多力的效果是相同或相近的，如畜力与机械动力对车的作用效果基本上是等效的。人们对力的等效司空见惯习以为常，也就没有把这种等效当作一个问题来研究。物体上二力平衡的二力的性质可能相同也可能不同，但效果一定相同，即二力作用效果等效。由止可见，力的“等效”很平常，将这种等效提升为一个原理也没有什么出奇出彩之处。 用自由落体运动可推出严格的二力等效，因为自由落体运动的物体所受的引力与物体上产生的惯性力在运动期间保持严格的相等，即引力变化惯性力也随之变化。然而，用此推断的等效原理，运动的物体上引力和惯性力发生在一个物体上，难以代表别物体或参考系，所以相对论创立者也就舍弃了这个严格的等效，取用其一个只受引力另一个只用其惯性力的近似等效。相对论中的等效原理是近似的，尽管用“局域”做相应的掩饰或修正也没好到哪里。 爱因斯坦用“无限小引力场”等效加速系，似乎是用引力场的微分无穷小量等于加速系的常量（引力场强等于加速度），但却弄丢了等效所需要的事物及过程和空间。引力场有何效果，谈得上效果的是其中的引力作用；同理，参考系也谈不上有什么效果，是加速系中产生的惯性力有效果。没有力造成的等效，就没有想像中的实验者分辨不出是加速系还是引力场的感受。借助两种力的等效，就能把引力场中的事物等价的迁移到加速系中去吗？上哪去找无引力的加速系呢？ 等效原理以观察者不可能分辨自己在引力实验室还是在无引力加速系为凭据。然而，感觉不能分辨的判定不符合科学的态度和规则。人类凭眼睛视力观察星空的认识是有限的，我们没有固守在直接见到上，而是利用望远镜来观察，放大视力以看到更多的东西。如果真的能按爱因斯坦的想象做试验，恐怕也不是凭感觉，要有相应的仪器来分辨。凭人体器官的感觉比较低级和原始，感觉的结论并没有理论的深度。何况感觉有时是不真实的，人们在野外迷失方向凭感觉认定的一个方位，不一定是正确的。就算感觉是准确的，在引力场中自由降落的人的失重感觉与无引力加速系中的人无重悬浮感觉是等效的，也是表面现象而本质不同。 既然近似的等效有用，就说明广义相对论研究和应用的等效原理没有精度要求，大体上、粗略的、差不多等描述都能满足理论要求，用这样的近似的推论当然说不上准确的规律。如此说来，即使自由落体实验的严格等效原理也没什么必要，因为确定等效原理的根据是虚拟的人及不可量度的感受，况且有真人身临其境的感受也不能说是充分和精确的。这就是等效原理的勉强之处。 （二）等效原理是一个伪命题 任何物体形成的引力场，都是从物体表面（忽略轮廓凸细节）向外场强非线性减小，也就使受此物体作用的引力随距离非线性减小。这样持续变化的引力与不变的惯性力的等效是粗略的。而等效原理产生于物体上，将这种等效转移到光的传播上纯凭想象而为，并没有事实的理由和实验的依据提供支持。等效原理在力学范畴没什么用处，推广到物理范畴只能带去混乱和荒谬。 众所周知，物理学划分力、热、波、光、电和原子能等几部分，各部分自成范畴，各有性质和规律。光学是物理学的一小部分。光的运动与物体的运动不同，光线的末端离不开光源，但光与光源同向运动光速不受光源运动影响。物体运动与承载物体的参考系的运动可以叠加与合成；光速不能与光源的速度叠加与合成。物体运动的交会（碰撞）要产生能量和物体的变形碎裂，轨迹也随之变化；不用说物体的运动与光的传播交会没什么反应，就是不同光源的光交会，相互都不影响。即便光线与物体的运动轨迹相比有相似处，二者也没有共同的意义。 等效有内在的本质，不是表面的形象或形式。等效原理的本质是不同的力的作用结果等效，不代表两物体的运动等效。考量运动状态要说速度如何加速度如何，即使速度和加速度相同也很难说二者的运动等效。比方运动员练长跑，教练骑摩托同步跟随，不能说运动员的运动与教练的运动等效。物体有质量有力，而光并没有质量也没有力，物体与光在力的作用上无法比较何谈等效。物体的运动与光的运动同样不同，就算二者的运动轨迹相同也谈不上等效。 说广义相对论得以安身立命的等效原理是一个伪命题，是从它的物体和光的物理效应相同的题设不成立得出其结论不成立。“弱等效原理：引力场与加速系（参考系）的力学效应是局域不可分辨的”勉强说得过去，但与相对论无直接关系；而“强等效原理：引力场与加速系的一切物理效应都是局域不可分辨的”显然是不同性质事物的移花接木张冠李戴。等效原理在广义相对论中作用只是将等效从动力学效应扩展到任何物理效应，没见广义相对论的其他推论牵涉到等效原理，或许，等效原理在广义相对论中就是块敲门砖。 等效原理的思想试验既不合理又无事实支持。这个纯想象的原理尽管貌似有点道理，但均匀的恒定引力场并不存在，不受引力场影响的加速系也不存在，即使宇宙中某位置可能存在近似的恒定引力场和不受引力场影响的场所，也无法做到送一个加速系（宇宙飞船）去“等效”。等效于引力场的加速系是想象的配置而不是事实上的存在，所作的思想试验终究是不着边际不靠谱的空想臆测。等效原理得到认可并受到尊崇，与什么人提出来密切相关，若是普通人提出就会被看作胡思乱想异想天开，而名人提出来就是独出心裁标新立异。 等效原理是利用引力场和参考系拼凑的一个原理，在广义相对论中仅是为了使光遵从物体运动的规律。光源在运动的参考系中发出的光容易描绘，在引力场中无法描绘，有了等效原理就解决了光在引力场中的描绘。一个小天体经地球附近飞过，其运动轨迹会因地球的引力而弯向地球；有了等效原理，光线经过地球附近同样要弯向地球。再将运动的弯向解释为空间弯曲，以构造空间的相对性，使令人不满意的牛顿力学的绝对空间变为相对空间。 结束语 作者：郭连成
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