王建安

摘  要

本文采用以太引力机制分析了等效原理，发现：物体处在一定强度的均匀引力场中与以一定速度在均匀的以太（能量）空间中做匀速直线运动等效、物体处在有场强梯度的引力场中所受到的引力与该物体在以太空间中做直线加速运动所受到的惯性力等效、以及流速沿与运动垂直的方向递减（增）的流体所产生的有场强梯度的以太（能量）场与有场强梯度的引力（能量）场等效。采用这些修正及拓展的等效原理，作者解释了牛顿水桶实验、解释了Casimir效应、还解释了为什么流体流速越大压强越小，即伯努利方程中流体的流速是相对什么参照系的以及为什么相对该参照系流速越大则压强越小?等物理问题。

关键词

等效原理，引力场，非惯性系

The Modification and Extension of the Equivalence Principle

Jian’an Wang

Department of Physics, Shenzhen University, Shenzhen, Guangdong

Abstract

In this paper, the equivalence principle is analyzed by means of the aether gravitational mechanism. It is found that: an object in a uniform gravitational field of a certain strength is equivalent to moving in a uniform straight line in a uniform aether (energy) space at a certain speed，the gravitational force on an object in a gravitational field with field gradient is equivalent to the inertial force on the object in a linear acceleration motion in aether (energy) space, and the aether (energy) field with field gradient produced by a fluid whose velocity is decreasing (increasing) in the direction perpendicular to the motion is equivalent to the gravitational (energy) field with field gradient. Using these modified and extended equivalence principles, the author explains Newton's bucket experiment, explains the Casimir effect, and explains the physical problems of why the higher the flow rate of a fluid, the lower the pressure, i.e., what reference frame the flow rate of a fluid in Bernoulli's equation is relative to, and why the higher the flow rate relative to the reference frame, the lower the pressure, etc.

Keywords

Equivalence principle, gravitational field, non-inertial system

1. 等效原理的修正与拓展

在《The Modification of Newton's Gravitational Law and its Application in the Study of Dark Matter and Black Hole》[1]一文中，作者指出引力场是一种标量场（能量场），引力是空间能量（以太）密度分布不对称，从而导致处在空间的物体所受到的以太压力不对称而产生的。比如，处在地球引力场中物体之所以会受到引力的作用，是因为构成物体的每一个质量小块表面的每个点所处空间的引力场强度都不同（越接近地心引力场强度越大），从而导致每个小块因所受到的以太压力的不对称而产生了一个指向地心的引力，所有这些质量小块所受到的引力的向量之合即为该物体所受到的引力。由这一以太压引力机制可知，如果空间的引力场强度（能量密度）每点都相同，则处在该空间的物体不会产生引力作用（比如在地球表面就不会产生沿着地球表面切线方向的重力，因为在地球表面引力场处处相等）。由于离地心不同距离的引力场强度大小不同，所以处在地球表面的物体会受到一个指向地心的重力。由于处在某均匀引力场（或以太）空间相对以太以加速度a运动（比如沿地球表面以加速度a运动）的高铁车厢中的人体会受到一个与加速度方向相反方向的惯性力f=ma。由此可知，均匀的引力场与以匀加速度运动的非惯性系（相对以太）是不等效的。均匀的引力场与匀加速运动的非惯性系不等效还体现在如下几个方面：

1)   静止在不随时间变化的引力场中的物体时间不变、长度不变、质量不变；但静止在加速运动（相对以太）的非惯性系中的物体时间一直在不断变慢，长度一直在变短，质量一直在变大。

2)   静止在不随时间变化的引力场中的带电粒子不向外辐射电磁波；但静止在加速运动（相对以太）的非惯性系中的带电粒子会不断向外辐射电磁波。

由于引力场越强，则处在引力场中的物体受引力约束的能量越大，而物体在均匀的以太空间（比如沿地球表面）运动速度越快，则物体的动能越大。由此我们可以推测出如下的修正的等效原理：“物体处在一定强度的均匀引力场中与以一定速度在均匀的以太空间中做匀速直线运动完全等效”。事实上，在物体的时间膨胀效应上，引力场与匀速运动是等效的，即：

与

等效。引力场与速度（而不是加速度）在时间膨胀上的等效已经得到无数实验的验证，可以看作是上述修正的等效原理的一个证明。根据上述修正的等效原理，我们还可预言或推论：

1)   在物体的惯性质量增大效应上引力场与速度等效，即：

与

等效。也就是说，物体相对以太运动速度增大会导致物体惯性质量增大，而物体所处空间引力场强度的增大也会导致物体惯性质量增大（比如同一物体，静止处在地球上空不同高度处，惯性质量不同，高度越高惯性质量越小）。

2)   在原子的电子轨道半径收缩效应[2]（公式5.31）上，引力场与速度等效，即：

与

等效。也就是说，物体相对以太运动速度增大可导致构成物体的原子轨道电子的轨道半径减小，而物体所处空间引力场强度的增大也可导致构成物体的原子轨道电子的轨道半径减小（比如同一物体，静止处在地球上空不同高度处构成物体的原子的轨道电子的轨道半径不同，高度越高轨道半径越大）。

3)   物体处在有场强梯度的引力场中所受到力与物体在以太中做加速运动所受到的力等效，即引力与惯性力等效。

当物体处在有场强梯度的引力场中时物体所处空间能量（以太）密度随场强增加而增加，由于空间能量（以太）密度越大，空间以太压强越小（负压越大），所以，构成物体的原子分子会受到一个因以太压强不对称而产生的引力，构成物体的所有原子分子所受到的引力之向量和即为该物体所受到的引力。

由于当物体在以太中做直线加速运动时会受到一个与加速度方向相反的惯性力的作用。因此，我们猜测，物体在以太中做直线加速运动时在物体内部会形成一个沿着加速度方向递减的以太密度梯度。由于空间能量（以太）密度越大，空间以太压强越小（负压越大），所以，构成物体的原子分子会受到一个因以太压强不对称而产生的惯性力，构成物体的所有原子分子所受到的惯性力之向量和即为该物体所受到的惯性力。

4)   由于在以太中做直线加速运动的物体头部空间的以太密度最低，尾部最高。所以我们预言在以太中做直线加速运动的物体，头部的时间快于尾部的、头部的收缩率低于尾部的、头部的密度小于尾部的。

我们可以用装满溶液的圆柱型密闭容器沿着圆柱的轴在以太中做直线加速运动（比如将装满溶液的圆柱型密闭容器平行放置在升空的火箭上）来验证：容器内头部的时间快于尾部的、头部的密度小于尾部的。

航天返回舱窗户玻璃破裂（有发生）是因为航天返回舱进入地球大气层后受到较大的空气阻力，返回舱剧烈减速导致玻璃窗分子迅速膨胀以及沿着返回舱运动方向分子膨胀率不同导致的。

玻璃杯从桌上掉落到水泥地上即使是杯底与地面平行的落地也会破裂，这是因为玻璃杯在接触水泥地面时的剧烈减速导致玻璃杯分子迅速膨胀以及从杯底到杯口，杯子各个部分的收缩率不同导致的。

5)   流速沿着与运动垂直的方向递减（增）的流体所产生的有场强梯度的以太（能量）场与有场强梯度的引力（能量）场等效。。

在流速沿着与运动垂直的方向递减（增）的流体（液体或气体）中，物体会受到液（气）压作用，而且液（气）压力的方向由速度小的点指向速度大的点，即沿着流体速度场强递增的梯度方向。在有场强梯度的引力场中，物体会受到引力作用，引力的方向由引力场强度小的点指向引力场强度大的点，即沿着引力场强度递增的梯度方向。因为物体的动能越大则物体所处局部空间的能量（以太）密度越高，而空间引力场越强则空间的能量（以太）密度同样越高。又因为空间的能量（以太）密度越高则空间以太压强越小（负压越大）。所以，流速（相对以太运动）沿着与运动垂直的方向递减（增）的流体所产生的有场强梯度的以太（能量）场与有场强梯度的引力（能量）场等效。

3. 讨论

1)   牛顿水桶实验的解释

牛顿水桶实验是艾萨克·牛顿所做过的一个用以证明绝对空间的存在实验。关于这个实验牛顿是这样叙述的： “如果用长绳吊一水桶，让它旋转至绳扭紧，然后将水注入，水与桶都暂处于静止之中。再以另一力突然使桶沿反方向旋转，当绳子完全放松时，桶的运动还会维持一段时间；水的表面起初是平的，和桶开始旋转时一样。但是后来，当桶逐渐把运动传递给水，使水也开始旋转。于是可以看到水渐渐地脱离其中心而沿桶壁上升形成凹状。运动越快，水升得越高”

解释：根据本文提出的修正的等效原理，流体相对以太的流速越大则流体所处空间的以太压强越小（负压越大）。因为在地球表面，对于水桶中的水这样的宏观物体的运动，地球以太层可以视为绝对参照系[2]，所以，水桶中的水相对地球以太的旋转速度越大则以太压强越小（负压越大）。由于旋转水桶中的水越靠近桶壁转速（相对地球）越大，因此在旋转水桶中的水内产生了沿旋转半径从旋转中心指向远处的离心力场，处在该离心力场的水分子，与处在有场强梯度的引力场中等效，会受到一个方向由以太压强大的点指向以太压强小的点（即沿旋转半径从旋转中心指向远处）的离心力的作用。在此离心力的作用下，桶中的水往桶周围的桶壁聚集，导致水面凹下去。

2)   Casimir效应的解释

Casimir效应是说在真空中放两块平行的金属板，当这两块金属板相距足够近时两板之间会产生吸引力。

解释：由于金属板表面离子及电子的振动对金属板两面的撞击所产生的平均压强相等，但金属板表面离子及电子的振动导致两金属板之间空间的以太密度大于金属板外则的，因此，两金属板之间的以太压强小于（以太负压大于）两金属板外则的，所以两金属板之间产生了吸引力。由于两金属板越靠近则两金属板之间空间与两金属板外则空间的以太密度差越大，两金属板之间的吸引力也就越大，所以，当两块金属板相距足够近时两金属板之间会产生明显的吸引力。

3)   伯努利方程中流体的流速是相对什么参照系的，为什么相对该参照系流速越大则压强越小?

丹尼尔·伯努利在1726年提出了“伯努利原理”。这是在流体力学的连续介质理论方程建立之前，水力学所采用的基本原理，其实质是流体的机械能守恒。即：动能+重力势能+压力势能=常数。其最为著名的推论为：等高流动时，流速大，压力就小。问题是伯努利原理或方程中的流速是相对什么参照系的？根据《狭义相对论的修正》[1]，在地球表面，地球以太层可视为绝对参照系。所以，在地球上，流体相对地球的流速越大则流体的压强越小。因为在地球上地球表面一定高度的空间可视为与地球一起运动的以太层，相对地球运动就是相对地球以太层运动。根据以上修正的等效原理，物体在以太中运动速度越快，则物体所处局域空间的能量（以太）密度越高，局域空间所产生的以太压强就越小（负压强就越大）。所以，流体相对地球的流速越大则流体的压强越小。由此可知，在地球上水管内水的压强大小与水管内的水相对水管的流速无关而是与水管内的水相对地球的流速有关。比如直径不变的一节直的水管沿着轴线方向在（相对地球）静止的湖水内运动，则水管内水的压强与水管内的水相对水管的流速无关。但，对于相对地球静止的水管来说，水管内水的压强与水管内的水相对水管的流速有关，流速越快压强越小。

水翼船在静止的湖水中运动，水翼能够产生上升的举力是因为水翼迫使水翼上方的水相对地球的运动速度大于水翼下方的水相对地球的运动速度。同理，飞机在相对地球静止的空气中运动，机翼能够产生上升的举力是因为机翼迫使机翼上方的空气相对地球的运动速度大于机翼下方的空气相对地球的运动速度。

4)   为什么航天仓升空及返回地球时里面的宇航员必须穿上宇航服，而在快速运动的空间站里面不需要穿？

尽管航天仓是高度密封的，当航天仓升空或返回地球时，由于航天仓内的空气相对地球的以太层运动速度变化极快，所以航天仓内气压变化非常快，如果航天仓内的航天员不穿宇航服则快速变化的气压可危害航天员的生命。这就是为什么航天员在乘火箭升空及乘返回舱返回地球时都必须穿上宇航服的原因。因为空间站在绕地球运动的轨道上是做匀速运动，加上在轨道上地球的引力场基本不变，所以，空间站内的气压是恒定不变的。尽管空间站绕地运动的速度极快，但由于空间站内的气压恒定不变，所以宇航员在空间站内不需要穿宇航服。

     图1. 1971年，苏联“礼炮1号”落地后，打开舱门发现三名宇航员已死亡

    （注：三名宇航员都没有穿宇航服） 

图2. 现在航天员在乘火箭升空时是穿上宇航服的

图3. 现在航天员在乘返回舱返回地球时是穿上宇航服的

图4. 航天员在快速运动的空间站里面没有穿宇航服

4. 结论

1)  物体处在一定强度的均匀引力场中与以一定速度在均匀的以太（能量）空间中做匀速直线运动等效；

2)  物体处在有场强梯度的引力场中所受到的引力与该物体在以太空间中做直线加速运动所受到的惯性力等效

3)  流速沿与运动垂直的方向递减（增）的流体所产生的有场强梯度的以太（能量）场与有场强梯度的引力（能量）场等效。

参考文献

[1] Jian’an Wang. (2022). The Modification of Newton's Gravitational Law and its Application in the Study of Dark Matter and Black Hole. Adv Theo Comp Phy, 5(3), 510-517

[2] Wang, J.A. (2019) The Modification of Special Relativity. Journal of Modern Physics, 10, 1615-1644. doi: 10.4236/jmp.2019.1014107