Принцип эквивалентности

Принцип эквивалентности утверждает, что эффекты гравитации локально идентичны эффектам ускорения, так что все тела падают с одинаковым ускорением независимо от их состава.

Definition

Принцип эквивалентности — это утверждение о равенстве гравитационной и инертной массы, так что в достаточно малой свободно падающей системе отсчета гравитация локально необнаружима, а законы физики сводятся к законам специальной теории относительности.

Scope

Эта тема охватывает слабый принцип эквивалентности (универсальность свободного падения), принцип эквивалентности Эйнштейна, который добавляет локальную лоренц-инвариантность и позиционную инвариантность, сильный принцип эквивалентности, распространяющийся на гравитирующие тела, мысленные эксперименты с падающими лифтами и ускоряющимися ракетами, а также точные тесты, ограничивающие любые нарушения.

Core questions

• Почему все объекты падают с одинаковым ускорением в гравитационном поле?
• В каком смысле свободно падающая лаборатория неотличима от лаборатории в пустом пространстве?
• Насколько точно был проверен принцип эквивалентности, и может ли он быть нарушен?

Key concepts

• Инертная против гравитационной массы
• Универсальность свободного падения
• Локальная лоренц-инвариантность
• Локальная позиционная инвариантность
• Мысленный эксперимент с падающим лифтом
• Тесты типа Этвеша

Key theories

Универсальность свободного падения

Поскольку гравитационная и инертная массы равны, все тела падают с одинаковым ускорением независимо от массы или состава, что является эмпирическим фактом, позволяющим локально устранить гравитацию путем перехода в свободно падающую систему отсчета.

Принцип эквивалентности Эйнштейна

В каждой локальной свободно падающей системе отсчета негравитационные законы физики принимают свою специальную релятивистскую форму, независимо от скорости и местоположения системы, что является точным утверждением, лежащим в основе геометрического описания гравитации.

Clinical relevance

Принцип эквивалентности проверяется с постоянно возрастающей точностью, поскольку любое его нарушение будет сигнализировать о новой физике за пределами общей теории относительности; эксперименты с торсионными весами и лазерной локацией Луны, а также спутник MICROSCOPE ограничивают зависящие от состава силы, которые могли бы возникнуть из дополнительных полей или модифицированной гравитации.

History

Равенство гравитационной и инертной массы было проверено Ньютоном и уточнено Этвешем около 1900 года с помощью торсионных весов; Эйнштейн возвел его в ранг фундаментального принципа в 1907 году, назвав его своей самой счастливой мыслью, и современные эксперименты Eot-Wash и космические эксперименты подтверждают его с точностью до 10^-15.

Key figures

• Albert Einstein
• Lorand Eotvos
• Robert Dicke

Seminal works

• einstein1916
• mtw1973

Frequently asked questions

Является ли принцип эквивалентности точным или лишь приближенным?

Он является точным только в пределе бесконечно малой области; в любой протяженной области проявляются приливные эффекты от изменения реального гравитационного поля, и эти остаточные приливные силы — это именно то, что описывает кривизна пространства-времени.

Что бы это означало, если бы тест обнаружил нарушение?

Измеренная разница в ускорении свободного падения различных материалов подразумевала бы новое зависящее от состава взаимодействие, опровергая простейшую форму общей теории относительности и указывая на дополнительные поля, такие как те, что предсказываются некоторыми унифицированными теориями или теориями темного сектора.