理论教育 在引力作用下的加速参照系时空性质

在引力作用下的加速参照系时空性质

时间:2023-11-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:在引力场中,处于失重状态的物体,其本征参照系是一个局部欧氏空间。

在引力作用下的加速参照系时空性质

加速参照系:如果物体在外力作用下做加速运动,则该物体所在的本征参照系称作加速参照系。这与相对论中的“非惯性参照系”的内涵不同。

重力加速度称作在引力场r处的重力加速度。其中,G是引力常数,M是引力场中心天体的质量。

失重:在引力场中,如果物体仅在引力的作用下做加速运动,如果物体在r处的绝对加速度a始终与该处的重力加速度g相等,该物体所处的状态称作失重状态,简称失重。

一般而言,在引力场中产生失重的运动包含直线加速运动和曲线加速运动,后者有双曲线运动、抛物线运动和椭圆运动。并且,这些运动状态不仅包含物体靠近引力中心的运动,也包含离开引力中心的运动。例如,相对于太阳的引力场而言,地球上的物体都处于失重状态。根据力的等效性原理,可以得到以下定理。

引力抵消定理:如果物体在引力场中处于失重状态,物体所受到的引力将被自身加速运动产生的惯性力抵消,这时物体在加速参照系中的重力为零。

物体在引力场中处于失重状态,根据失重的定义,说明该物体的绝对加速度a始终与其重力加速度g相等,说明物体所受的引力与自身运动产生的惯性力严格相等,引力被惯性力严格抵消。因此在加速参照系中,物体感受不到引力,物体重量为零。

这个定理成立的前提条件是物体处于失重状态,即物体的加速度必须与所受的重力加速度完全相等。如果不相等,则结论不成立。事实上,物体在引力的作用下做加速运动,其加速度一般都与所受重力加速度相等。物体在引力场中做加速运动一般都处于失重状态,定理在一般情况下都是成立的。

这个定理对另外三种基本力和其他一般的力都不成立。因为引力有一个其他力没有的特征,引力可以均匀地作用于整个受力物体,物体的受力是整个物体而不是一个点。(www.daowen.com)

推论:在引力场中,处于失重状态物体所在的加速参照系,时空性质与欧氏空间相同,其时间速率和空间密度与欧氏空间相同。

证明:处于失重状态的物体所在参照系中重量为零,说明在该参照系中感受不到引力场的存在。根据欧氏空间和引力场空间的定义,在引力场空间中引力对光速的影响不能忽略,在欧氏空间中引力对光速的影响可以忽略,而处于失重状态的加速参照系中根本感受不到引力。相对静止于加速参照系中光源发出的光,该参照系中观察者同样认为它没有受到引力的影响,利用该光源的光确定“米”“秒”标准,与欧氏空间的完全相同。事实上,相对于太阳的引力场,地球表面就是一个处于失重状态的加速参照系,在地球表面感受不到太阳的引力。因此引力场中处于失重状态的参照系,时间速率和空间密度与欧氏空间相同。

证毕。

对于该推论需要作说明。在引力场中,处于失重状态的物体,其本征参照系是一个局部欧氏空间。

假设,失重物体具有较大的体积,该物体的各点同一时刻在引力场中占据的位置不同。A、B为该物体中的任意两质点,其质量均为m0,在某一时刻AB在引力场中的位置分别为r1、r2,该时刻AB两点在引力场中受到的重力分别为F1和F2,由于r1≠r2,则F1≠F2。如果该物体不是刚体,AB两点受到的不同重力加速度会使它们之间的距离增大或减小。如果运动方向指向引力场中心,距离增大,反之距离减小。如果该物体是刚体,则AB两点受到的引力与惯性力不等,两点之间必然存在压力或拉力,因此在引力场中处于失重状态的物体,其本征参照系空间性质是一个局部的欧氏空间。物体的体积越大,在物体边缘的引力场空间性质越明显。

引力抵消定理及其推论说明,引力场空间的本质是欧氏空间叠加一个引力场。

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