玄奧的引力，其本質(zhì)竟是時空彎曲，如何從電梯墜落洞見真理

大家好，今天我們來聊一聊無處不在卻又充滿神秘的引力。萬有引力定律最早是由牛頓在17世紀提出，隨后的一、二百年間牛頓的理論幾乎是無往不利，可是在一些更深入的問題上，牛頓萬有引力定律卻出現(xiàn)了難以彌合的偏差。比如，光速矛盾，以太之迷，水星進動問題……

接下來，就該本文主角愛因斯坦登場了。在文章開始前，小編先說明一下，我并不是資深專業(yè)人士，知識上或許有不足之處，各位看官閱讀文章就權(quán)當消遣。文章中有許多打比方的說明方式，籠統(tǒng)地加以形容，但真實的物理知識比這要復雜得多，而且必須用嚴格的數(shù)學來加以描述。

1905年，被譽為物理學的奇跡之年，這一年，年僅26歲的愛因斯坦發(fā)表了5篇劃時代的論文。每一篇都開啟了一個全新的物理領域。其中，最重要的就是6月30日發(fā)表的《論動體電動力學》，也就是狹義相對論。它以“光速不變”為基礎推導出了一整套全新的物理體系，彌補了牛頓舊有時空觀念的薄弱之處。

狹義相對論橫空出世之后，愛因斯坦一躍成為物理學界的新星，他的生活環(huán)境也隨之改善。可是一直有一道坎，橫在愛因斯坦的心中。那就是，狹義相對論只能描述勻速運動和慣性系，對于加速運動或非慣性系卻束手無策。但是，我們生活的現(xiàn)實世界幾乎不存在勻速運動和慣性系統(tǒng)。我們腳下的地球在圍繞太陽轉(zhuǎn)，太陽又帶著八大行星圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)。狹義相對論似乎只是花哨的數(shù)學魔術，對于解決實際問題沒有一點作用。

廣義相對論的種子在愛因斯坦的心中悄然萌發(fā)，為此愛因斯坦努力了許久，但都收效甚微。天才的頓悟就差那靈光一閃了。好比，牛頓因為蘋果落在頭上，而創(chuàng)立出萬有引力定律。據(jù)傳，正當愛因斯坦為廣義相對論絞盡腦汁時，在報紙上看見一則新聞，一位裝修工人在工作時，不小心從大樓頂層墜亡。愛因斯坦受此啟發(fā)，完成了一個至關重要的思維實驗。

當實驗者準備乘電梯從摩天大樓頂層至底樓時，他進入全封閉的廂式電梯。突然，電梯線纜斷裂，電梯加速墜向地面。實驗者在電梯里就會有失重的感覺。那如果我們把這截全封閉的電梯帶到太空，里面的實驗者同樣也會有失重的感覺。但是在全封閉的電梯里，實驗者是無法分辨到底是因為加速度還是引力的原因造成自己失重的。

加速度和引力帶來的效果是相同的，這就是等效原理。可別小看這個推論，它的意義相當于“光速不變”之于狹義相對論。打通這一關節(jié)后，愛因斯坦以等效原理作為基石，黎曼幾何作為工具，逐步建立完善了廣義相對論。廣義相對論在宏觀上對引力的詮釋堪稱完美——物質(zhì)告訴時空如何彎曲，時空告訴物質(zhì)如何運動。

在愛因斯坦的廣義相對論中，引力被描述為一種時空彎曲的現(xiàn)象。我們想象，時空就像一張彈簧床，而天體則是大大小小的球類。在一張彈簧床上放一個大質(zhì)量的鉛球。它會把彈簧床壓成一個凹洞，再把小質(zhì)量的彈珠放在凹洞邊，它就會沿著凹洞慢慢滾向鉛球。這就像大質(zhì)量的天體用引力“拉”著小天體一樣，其本質(zhì)就是一種時空彎曲的現(xiàn)象。

愛因斯坦是怎樣由“等效原理”洞見到引力的本質(zhì)的呢？我們還是用電梯來做一場思維實驗。

假設，電梯正在快速向上運行，我們在電梯門上鉆一個小孔，讓一束光射進來，當光線穿過電梯，投射到電梯后壁時，由于電梯已向上運行了一段距離，光線不可能平行地以一條直線照射到后壁對應的位置。從上帝視角來看，光線會向下走一條拋物線，落在電梯后壁上。

由于引力和加速度是等效的，電梯靜止放置在地面上，光線也會因為受到地球的引力而向下偏折——引力的本質(zhì)就是時空的彎曲！

這看似簡單的思維實驗，背后的道理凝結(jié)了愛因斯坦十年的心血。廣義相對論中的引力場方程艱難誕生后，物理學家們可以用準確的數(shù)學語言計算、描述廣袤的宇宙，以此為基礎，隨后的幾十年間，一個個諾獎級的驚世預言紛紛呈現(xiàn)在世人眼前：引力減緩時間，引力紅移，黑洞，蟲洞，引力波……

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