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引力与几何
弱等效原理
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2025-11-20 15:56
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弱等效原理
3.2 弱等效原理(WEP) 在牛顿引力中,弱等效原理起着重要的作用.弱等效原理(weak equivalence prin- ciple,简记为 WEP)可以表述如下。 弱等效原理 惯性质量和引力质量相等,即 $m_{\mathrm{i}}=m_{\mathrm{g}}$ 。 惯性质量指的是牛顿第二定律 $$ \boldsymbol{f}=m_{\mathrm{i}} \boldsymbol{a} $$ 中的质量 $m_{\mathrm{i}}$ ,它刻画了在任何外力下物体表现出的惯性,质量越大,惯性越大.而引力质量特指在引力相互作用中,两个物体互相吸引时的质量。前面我们导出的引力加速度只与引力势的梯度有关,实际上用到了弱等效原理,因为 $$ m_{\mathrm{i}} \ddot{r}=-m_{\mathrm{g}} \nabla \Phi $$ 方程的左边是牛顿第二定律,右边是引力,只有当惯性质量等于引力质量时,才有 $$ \boldsymbol{g}=-\nabla \Phi . $$ (3.15)式有着重要的物理意义,它告诉我们所有物质对引力的反应都是一样的:它们在某一引力场中都以相同的加速度下落.比如说在地球的引力场中,无论物体是何材质,只要初始条件一样,则它们下落的运动状态就是一样的. 实验上,对弱等效原理的检验有很长的历史,也达到了非常高的精度。传说中伽利略的比萨斜塔实验中用到了两个质量不同的铁球,证明了它们的运动状态相同,推翻了亚里士多德(Aristotle)关于"越重物体下落越快"的论断 ${ }^{(3)}$ 。类似的实验可以选用不同材质的物体,屏蔽掉空气阻力的影响,也能得到相同的结论。当然,这类实验的精度较低.伽利略提出的精度更高的实验是利用单摆,通过选择不同物体作为摆锤,分析单摆的运动周期,从而可以较精确地检验弱等效原理,精度可以达到约 $10^{-3}$ 。在伽利略之后,牛顿、贝塞尔(Bessel)、波特(Potter)等人都利用单摆做过实验,进一步提高了精度. 19 世纪末,厄缶(Eötvös)天才地提出利用扭秤平衡来精巧地检验弱等效原理的方法,大大提高了实验精度,达到 $10^{-9}$ .这
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