了不起的物理

47 引力的本質:時空扭曲

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牛頓最重要的學術貢獻之一,是發現了萬有引力定律。任何有質量的物體之間都會因為萬有引力而相互吸引。萬有引力正比於二者質量的乘積,反比於二者距離的平方。萬有引力定律是非常優美的,它可以非常精確地計算和預測天體的運動規律。譬如曆史上,海王星就是通過萬有引力定律的預測才被發現的。

愛因斯坦卻認為,引力是一個假的力。廣義相對論認為,時空是可以被扭曲的,而質量的作用就是去扭曲時空,質量越大,時空扭曲得就越劇烈。可以用一張蹦床來類比我們的時空。在蹦**放一個鉛球,蹦床就會因為彈性而凹陷,鉛球越重,凹陷就越深,就對應更劇烈的時空扭曲。

如果我們在鉛球邊上再放上一個乒乓球,這個乒乓球會因為蹦床的凹陷滾向鉛球。如果意識不到蹦床的凹陷,乒乓球滾向鉛球這個動作,就好像受到了鉛球的吸引一樣。但乒乓球又不長眼睛,它怎麽知道有個鉛球在吸引它呢?本質上還是因為蹦床的扭曲。同樣地,地球受到太陽的吸引,本質上是太陽的大質量扭曲了它周圍的時空,地球感受到了時空的扭曲,於是地球的運動狀態發生了改變,它的運動狀態,就好似受到了太陽的吸引一般。

這就是廣義相對論對萬有引力的解釋:引力不是一個真正的力,而是質量扭曲了時空,影響了其他天體的運動。根據牛頓第一定律,任何不受外力的物體,它的運動狀態要麽是靜止,要麽是勻速直線運動。既然地球已經在圍繞太陽做橢圓運動了,它必然受到了一個外力的作用,這個外力被總結為萬有引力。牛頓關於萬有引力的理論,是建立在牛頓第一定律的基礎上的。愛因斯坦的廣義相對論則是跳出了牛頓定律的框架,它認為時空本身是可以被扭曲的,在扭曲的時空裏,即便不受任何外力,也可以做曲線運動。