惯性质量等价于引力质量的严格证明
2026-03-14 15:12:06
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作者张祥前交流微信18714815159

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牛顿力学认为,惯性质量反映了物体不容易被加速的程度,而引力质量反映了加速别的物体的能力。

在质量为M的物体o点相对于我们观察者静止情况下,相距r远的地方如果有一个小的质量为m的p点,受到o点引力F的作用,会使p点有一个指向o点加速度A,并且,在牛顿万有引力公式:

F =-G M m/r²

和牛顿第二定理:

F = m A 

中,牛顿在没有给出解释的情况下,把第二式中的惯性质量和第一式和中的引力质量等同起来,便有了牛顿引力场公式:

A = G M /r²

这个就是人们常说的惯性质量等价于引力质量。

如果我们证明了p点指向o点加速度A,等于o点在p点处产生的引力场G M /r²,

F =-G M m/r² = m A 

就可以证明惯性质量等价于引力质量。

下面我们来给出证明。

统一场论中,物体o点周围空间总是光速c、以圆柱状螺旋式向四周发散运动,o点的质量m和引力场A,是周围【立体角4π】包含多少条空间点矢量位移R【模是标量r,并且r = ct,t是时间】,条数越多,质量越大、引力场越强。

注意,空间虽然是圆柱状螺旋式运动,但是,由于静止物体周围空间运动的均匀性,各个方向的空间位移R的旋转运动是同步的,在某一个瞬间,就是咔嚓一个镜头,空间的光速位移像一个刺猬,毕直从物体向四周均匀发散。

我们用高斯球面s = 4πr²包围o点,我们在s上画一立体角Ω,Ω对应一小块面积△s = Ωr²上垂直分布了一条空间矢量位移。

相应的引力场A【标量形式为a】几何定义为:

  A = - G k/△s = - G k/ Ωr²

k是换算因子,G是万有引力常数。

矢量形式为:

A =  - G k [R/r] / Ωr²

通过和牛顿力学的引力场矢量形式:

A= - G m [R/r] / r²

对比,可以知道质量:

m =  k /Ω  

立体角Ω【或者说△s】所对应的引力场通量为:

a  △s  = (k G m /r²)Ωr² = k G  = G mΩ 

前面的空间位移R【数量为r】,几何上可以看成是由o点指向p点的位置矢量,p点在高斯球面s上。

p是一个质量很小的物体粒子,也可以看成是我们的考察点,或者叫场点。在统一场论中可以是空间点。

统一场论中,为了描述空间本身的运动,把空间分割为许多小块,每一个小块叫空间点。

现在设想R旋转运动,比原来位置偏离了一个角度θ。R的箭头p点沿垂直方向以速度v匀速率环绕运动,走了v △t【△t是一小段时间,对应R转动了角度θ 】这么远路程,再沿另一个垂直方向以匀速率v’走了v’△t这么远路程。

在v 的数量等于v’ 的情况下,结果构建了一个正方形:

△s =∣v∣t×∣v’∣t = v²△t △t= v²△t²

我们把引力场方程a= -Gk/△s 中的△s用这个v²△t²来替换,则有:

a= -Gk/△s =-Gk/v²△t²

写成矢量为:

A = -(θ²/△t²)(R /r) G k/ v² θ²

R是空间位置矢量,其模是r。(R /r)是单位矢量。如果要求引力场A等于加速度:

A = -(θ²/△t²)R

则G k/v²θ²r = 1

R是由圆心o点指向p点的位置矢量,其模是r,r不变,R方向均匀变化。(θ²/△t²)可以看成是角速度

ω=θ/△t的平方。

标准向心加速度是A = -ω² R 。

由以上的引力场通量 Gk = m G Ω,加G k/v²θ²r=1,可以得到环绕速度:

v =√(mG Ω/θ²r)

物体周围空间点环绕运动速度,与考察点的距离、角度、物体质量、所张的立体角有关。根据设定,Ω/θ²=1,以上公式退化为:

v =√(mG /r)

这个是地球表面卫星的第一宇宙速度。v和r只有先固定一个值,才可以得到一个确定的引力场。

在统一场论中,p点可以是空间点,v可以是空间点运动速度光速c,即使是光速,以上推理仍然成立。

证明完毕。

 
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