หลักสมมูล

หลักสมมูลระบุว่าผลกระทบของแรงโน้มถ่วงนั้นเหมือนกันในระดับท้องถิ่นกับผลกระทบของความเร่ง ดังนั้นวัตถุทุกชนิดจึงตกลงมาด้วยความเร่งเดียวกันโดยไม่ขึ้นกับองค์ประกอบของวัตถุนั้น

Definition

หลักสมมูลคือข้อความที่ระบุว่ามวลโน้มถ่วงและมวลเฉื่อยเท่ากัน ดังนั้นในกรอบอ้างอิงที่ตกอย่างอิสระซึ่งมีขนาดเล็กพอ แรงโน้มถ่วงจะไม่สามารถตรวจจับได้ในระดับท้องถิ่น และกฎทางฟิสิกส์จะลดรูปเป็นกฎของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมหลักสมมูลแบบอ่อน (ความเป็นสากลของการตกอิสระ), หลักสมมูลของไอน์สไตน์ที่เพิ่มความไม่แปรเปลี่ยนแบบโลเรนซ์และตำแหน่งในท้องถิ่น, หลักสมมูลแบบเข้มที่ขยายไปถึงวัตถุที่มีแรงโน้มถ่วง, การทดลองทางความคิดเกี่ยวกับลิฟต์ที่กำลังตกและจรวดที่กำลังเร่ง, และการทดสอบความแม่นยำที่จำกัดการละเมิดใดๆ

Core questions

• เหตุใดวัตถุทุกชนิดจึงตกลงมาด้วยความเร่งเดียวกันในบริเวณที่มีแรงโน้มถ่วง?
• ห้องปฏิบัติการที่กำลังตกอย่างอิสระไม่สามารถแยกแยะได้จากห้องปฏิบัติการในอวกาศว่างเปล่าในแง่ใด?
• หลักสมมูลได้รับการทดสอบอย่างแม่นยำเพียงใด และเป็นไปได้หรือไม่ที่จะล้มเหลว?

Key concepts

• มวลเฉื่อยเทียบกับมวลโน้มถ่วง
• ความเป็นสากลของการตกอิสระ
• ความไม่แปรเปลี่ยนแบบโลเรนซ์ในท้องถิ่น
• ความไม่แปรเปลี่ยนของตำแหน่งในท้องถิ่น
• การทดลองทางความคิดเรื่องลิฟต์ตก
• การทดสอบแบบเอิตเวิช (Eotvos-type tests)

Key theories

ความเป็นสากลของการตกอิสระ

เนื่องจากมวลโน้มถ่วงและมวลเฉื่อยเท่ากัน วัตถุทุกชนิดจึงตกลงมาด้วยความเร่งเดียวกันโดยไม่ขึ้นกับมวลหรือองค์ประกอบ ซึ่งเป็นข้อเท็จจริงเชิงประจักษ์ที่ทำให้สามารถกำจัดแรงโน้มถ่วงในระดับท้องถิ่นได้โดยการเปลี่ยนไปใช้กรอบอ้างอิงที่ตกอย่างอิสระ

หลักสมมูลของไอน์สไตน์

ในทุกกรอบอ้างอิงที่ตกอย่างอิสระในท้องถิ่น กฎทางฟิสิกส์ที่ไม่ใช่แรงโน้มถ่วงจะอยู่ในรูปแบบสัมพัทธภาพพิเศษ โดยไม่ขึ้นกับความเร็วและตำแหน่งของกรอบอ้างอิง ซึ่งเป็นข้อความที่แม่นยำซึ่งเป็นพื้นฐานของคำอธิบายเชิงเรขาคณิตของแรงโน้มถ่วง

Clinical relevance

หลักสมมูลได้รับการทดสอบอย่างแม่นยำยิ่งขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากหากมีการละเมิดใดๆ จะเป็นสัญญาณของฟิสิกส์ใหม่ที่นอกเหนือจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป; การทดลองด้วยเครื่องชั่งแรงบิดและการวัดระยะด้วยเลเซอร์จากดวงจันทร์ รวมถึงดาวเทียม MICROSCOPE ได้จำกัดแรงที่ขึ้นกับองค์ประกอบซึ่งอาจเกิดจากสนามพิเศษหรือแรงโน้มถ่วงที่ถูกปรับเปลี่ยน

History

ความเท่าเทียมกันของมวลโน้มถ่วงและมวลเฉื่อยได้รับการตรวจสอบโดยนิวตันและปรับปรุงโดยเอิตเวิช (Eotvos) ประมาณปี 1900 ด้วยเครื่องชั่งแรงบิด; ไอน์สไตน์ได้ยกระดับให้เป็นหลักการพื้นฐานในปี 1907 โดยเรียกมันว่าเป็นความคิดที่มีความสุขที่สุดของเขา และการทดลอง Eot-Wash และการทดลองในอวกาศสมัยใหม่ยืนยันหลักการนี้ได้ถึงระดับ 10^15 ส่วน

Key figures

• Albert Einstein
• Lorand Eotvos
• Robert Dicke

Seminal works

• einstein1916
• mtw1973

Frequently asked questions

หลักสมมูลเป็นหลักการที่แม่นยำหรือเป็นเพียงการประมาณ?

หลักการนี้เป็นจริงอย่างแม่นยำเฉพาะในขีดจำกัดของบริเวณที่เล็กมากเท่านั้น; ในบริเวณที่ขยายออกไป จะเกิดผลกระทบจากแรงไทดัลจากการเปลี่ยนแปลงของสนามโน้มถ่วงจริง และแรงไทดัลที่เหลือเหล่านี้คือสิ่งที่ความโค้งของปริภูมิ-เวลาอธิบายไว้อย่างแม่นยำ

จะเกิดอะไรขึ้นหากการทดสอบพบการละเมิด?

ความแตกต่างที่วัดได้ในความเร่งของการตกอิสระของวัสดุที่แตกต่างกันจะบ่งชี้ถึงอันตรกิริยาใหม่ที่ขึ้นกับองค์ประกอบ ซึ่งจะหักล้างรูปแบบที่ง่ายที่สุดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และชี้ไปสู่สนามพิเศษ เช่นที่ทำนายโดยทฤษฎีรวมแรงหรือทฤษฎีภาคส่วนมืดบางทฤษฎี