加速运动的观察者是否会感觉自己处于弯曲的时空中？

我从未弄懂过这一原理，它意味着引力场的效应与一个观察者的加速度的效应是不可分辨的吗？如果是这样，那就是错的！ ——辛（Synge）

确实是这样，很多学习广义相对论的同学稍不注意就会步入将“引力场的效应与观察者的加速度效应混为一谈”的尴尬境地，这样的混淆会让我们得出一个自认为顺理成章、但又绝对错误的结论：“处于平直时空中做加速运动的观察者也会感觉到引力的存在，又因为引力的本质就是时空弯曲，所以他会认为做加速运动的观察者会感觉自己处于弯曲的时空中”。那么，这个结论错在哪儿呢？让我们一探究竟！

01引力的本质是时空弯曲

• 爱因斯坦为什么要建立广义相对论？

由于麦克斯韦方程组不满足伽利略协变性，为了解决伽利略相对性原理与麦克斯韦电磁理论之间的抵触性，爱因斯坦利用洛伦兹变换改造了伽利略相对性原理，以狭义相对性原理和光速不变原理为前提，建立了狭义相对论，将麦克斯韦电磁理论纳入了狭义相对论的框架之中，但是，牛顿的万有引力理论却不管怎么改造也不能纳入狭义相对论的理论框架！爱因斯坦迫不得已，只能建立一个新的理论，来调和万有引力理论，这个新理论就是广义相对论！

阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）

• 爱因斯坦是如何将引力的本质解释为时空弯曲的？

根据生活经验，我们很容易就能想到，将任意两个物体置于空间中的同一点自由释放，如果这两个物体只受引力的作用，它们的运动状态就是完全相同的，肯定都做自由落体运动！对于这种现象，我们可以称之为：“齐步走”。

只受引力时铁锤和羽毛同时下落

下面思考一个问题：如果有一个朋友告诉你，某某地方有一座房屋倒塌了，你肯定会认为是如下三种情况中的一种：房屋的质量不好、房屋正在被拆除或者房屋遭到故意破坏。但是，如果有人告诉你某某地区所有房屋同时倒塌了，你会想到什么？第一个反应肯定是地震了！

是的，我们的所有房屋都建造在地面上，如果地壳发生运动，地面上的所有房屋肯定会在同一时间跟随地壳一起运动！

让我们继续思考：如果将两个物体置于太空中远离任何天体的某一点，将它们由静止同时释放，他们会怎么样？依然保持静止，对吗？因为不受引力，所以它们都会保持原来的运动状态不变！就像没有发生地震时，地面上的房屋不会有任何动静一样！

突然，我们将一个大质量天体放在这两个物体的旁边，你说，现在会出现什么情况？这两个物体会一起落向这个天体，对吗？因为放置了天体之后它们受到了引力，所以同时向这个天体靠近，这回“齐步走”了，没有什么问题吧！这就相当于地壳突然向下运动，所有房屋都会跟着地壳一起向下运动一样！

既然所有的物体都处于四维的时空之中，如果我们将四维时空当作承载物体的背景，把四维时空承载物体跟地面承载房屋类比一下，会出现什么奇怪的想法？

通过思考，爱因斯坦发现，假设某部分时空区域中不包含任何大质量天体，这个时空就是平直时空，物体置于其中、并不受任何力，这就跟地面上的房屋一样，处于平衡状态；可一旦有大质量天体处于这个时空区域中，就会导致周围的时空弯曲，就像地面突然凹陷下去一样，所有房屋跟着地面一起向下运动，经过这样的类比，爱因斯坦就将物体所受到的万有引力等效成了时空弯曲！天体对周围物体的引力作用，就跟把它放入这片时空区域之后导致本来平直的时空凹陷了一样，置于其中的物体当然要沿着弯曲的时空运动。不过，这里的时空弯曲不是我们想象中的地面那种二维平面的凹陷，而是天体周围各个方向的时空同时向里凹陷！

时空弯曲

02什么是加速度效应？

• 下面，我们还是得进行思维实验！

首先我们思考这样一个简单的问题：当我们站在一个静止在地面上的电梯里，手里拿着一个苹果，将苹果自由释放后，我们会看到什么现象？如果不考虑空气阻力，苹果很显然会做自由落体运动！

好，接下来，我们假设将这个电梯置于远离所有天体的时空区域（也就是平直时空中），然后让它相对于惯性系以9.8m/s的加速度加速上升，同样的，我们站在电梯中，将手中的苹果自由释放，我们会看到什么现象？很明显，我们依然看到苹果做自由落体运动！

加速度等效与引力场

看到这儿，你是不是也发现了这个问题？我们根本无法区分苹果的自由落体运动到底是由引力产生的效应还是加速度产生的效应！所以就有人提出了，加速度等效于引力场。也正是因为这样，在学习相对论时，我们就会就想当然地以为：处于平直时空中做加速运动的观察者也会感觉到引力的存在，又因为引力的本质就是时空弯曲，所以他会认为自己处于弯曲的时空中！

03如何正确理解加速度与引力场的等效？

• 我们先看“引力的本质就是时空弯曲”这句话的意思

任何有质量的物体都会弯曲周围的时空，我们在三维空间中感受到的引力就是四维时空的时空弯曲！在这里，引力和时空弯曲是等效的，都是由于物质造成的！牛顿认为物质的相互吸引就是万有引力，而爱因斯坦认为物质造成了时空弯曲、表现为引力！也就是说，这里的时空弯曲所对应的引力是物质之间实实在在的“真引力”！

• 下面再来看看“加速度等效与引力场”这句话的意思

我们站在加速上升的电梯中也会感受到引力，它是真的引力吗？其实它不是，这只是我们的一种感觉！这里的加速度等效的引力不是真实存在的，它就是一种观察者的感觉而已，所以这里的加速度等效的引力是“假引力”。

也就是说：时空弯曲等效的是真引力，而加速度等效的是观察者的感觉（假引力），这两者不能混为一谈。

04“加速效应等效于引力场”和“引力场的本质是时空弯曲”，能否推出加速的观察者感觉自己处于弯曲的时空中？

答案是肯定不能，就像我们观看某一个特别喜欢的歌手的演唱会一样，在电视上看直播时你肯定很开心、很激动，如果在现场看，那肯定也很激动，当你看完了直播之后，你会跟朋友说出：“昨晚我看直播的时候就感觉身处演唱会现场一样”，这样的话吗？

当你真正理解了“真假引力”的概念之后，你就应该明白，其实这不是能不能推得出来的问题，而是根本就没有办法推的问题，两句话里提到的引力都不是一回事儿，你怎么能进行推导呢？

时空的弯曲是由物质的分布造成的，我们已经将电梯移动到了远离所有星体的时空，没有物质，当然就没有时空弯曲，这个时空当然是平直时空，不管谁看，都应该是平直时空，这个观察者处于平直时空中是绝对的。