宇宙的加速度可类似于飞机可视的加速度吗？_

宇宙的加速度可类似于飞机可视的加速度吗？

2020/01/11 00:02优质科学领域创作者来自北京

网友问：“在飞行过程中，当飞机从快速巡航速度减速到缓慢进近速度时，我注意到随着减速度的不断提高，飞机有一种在减速的感觉。但是，一旦减速度稳定、恒定、不变后，我感觉飞机保持在了一个大概稳定的速度——即使飞机仍然在减速，我也感觉不到到减速（甚至感觉不到速度）。更具误导性的是，如果轻微操作飞机使减速度不断降低，我会感觉到加速度，即使飞机仍在减速（但减速度在降低）。”

答：你的描述完全符合爱因斯坦的广义相对论；事实上你已经亲身经历了所谓的“等效原理”！等效原理指出，不可能将一个借助外力而处于恒定加速度（或减速度）的坐标系与一个自由落体的坐标系区分开。你坐的绕地球飞行的飞机就是物理学家所说的“坐标系”；它是您进行观察的一个盒子或者说是一个有利位置。“自由落体”坐标系的表现就像是没有外力作用在其上一样。

图解: 传说伽利略在比萨斜塔上做自由落体实验

因此，如果你从飞机上跳下来，你就会处于“自由落体”状态，而宇航员在太空里时是没有重量的，即使两个坐标系都受到了重力作用；这是因为重力在跳伞者或宇航员的身上导致了一个大致恒定的加速度，从而让他们产生了失重的假象。根据等效原理，当加速度不变时，飞机会类似成一个自由落体坐标系——这就是为什么在这种情况下你会感觉不到你在移动。

图解：跳伞过程中的自由落体阶段

一旦加速度不恒定，你就不再处于自由落体的状态，并且会感觉到加速或减速。你的感受无关于你相对于地球的加速度，而是与飞机本身的加速度有关。所以，如果你的减速度减小，你就会感觉到加速度（而不是减速度；飞机控制台上的数字是相对于地球的，而不是相对于飞机之前的加速度）。

图解：三个质点从坐标原点以相同的速度出发，由于分别拥有正、零、负的加速度而导致其位置和关于时间的曲线。

网友问：“这种误解的感觉可以模拟我们对宇宙膨胀的测量的误解吗？例如，当宇宙的密度随着膨胀而减小，从而削弱了重力的影响时，膨胀率会在重力的作用下持续降低，但膨胀的减速度也在不断降低，从而使我们产生了宇宙在膨胀的相对假象。换言之，最近所有关于宇宙加速膨胀的言论，是否都有可能是（事实上）由膨胀减速度的不断下降导致的幻觉？”

图解：自从大爆炸以来，宇宙持续不停地膨胀，现更加速膨胀。

答：“不幸的是，我们无法用这么简单的术语来理解宇宙膨胀。等效原理只适用于因外力而在其中产生恒定加速度的坐标系。该要求实际上限定了力场中自由落体坐标系的大小。我们知道宇宙的不同部分不会承受同样的力，所以大多也不在同一个自由落体坐标系中。同样，等效原理也适用于因外力即坐标系外部的力而产生加速度的坐标系。但是当我们谈论宇宙时，并不存在“外部”的概念；因此，宇宙膨胀必须由宇宙本身的几何结构和它内部的物质来决定。