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原创 “牛顿,请原谅我”,爱因斯坦为什么会在自传笔记中这么说?

原标题:“牛顿,请原谅我”,爱因斯坦为什么会在自传笔记中这么说?

在所有中学的物理教科书和我们的常识中,通常把引力想象为“推”或者“拉”着物体的某种看不见的“力”。但爱因斯坦开辟了一个新思路,他认为,引力不是力,而是物质顺应时空弯曲的外在表现。从这种观点来看,表面看起来是在引力控制下运动着的物体,实际上只是自然而然地沿着它自身所处的弯曲的时空移动。在爱因斯坦眼中,空间不再是一个巨大的空旷区域,空间本身就是一个物理实体。

这个物理实体空间像是一块看不到尽头的橡胶垫,这块软垫可以以多种方式改变其形态:可以被拉伸或被挤压,可以被拉直或变弯,甚至可以收缩成点。所以,一颗和我们的太阳一样巨大的恒星盘踞在这个有弹性的垫子上,就如同一颗巨大的宇宙铅球,造成一处时空凹陷。物体的质量越大,所制造的时空凹陷就越深。因此,行星围绕着太阳运转,并不像牛顿所说的那样,是被看不见的力所控制,实际上它们只不过是陷入了由太阳制造出来的时空凹陷里。

对质量小一些的天体来说,情形也是一样的。例如,地球并不是用魔幻般的引力来拉拽卫星,以使其在特定轨道上运行的,相反,是卫星沿着一条''笔直的''路线前行。之所以说路线是''笔直的'',是从卫星的四维局部参考系来观察的。我们用三维的思维模式不可能构想出四维的时空,但是我们可以用两维的思维模式来试着思考并理解。

设想一下,两位古代探险家同时从赤道的不同位置出发,向正北方向走去。在他们的意识中,地球是平的。他们既不向东也不向西偏离一步,只是互相平行着向正北走去。但是很显然,他们会互相越走越近并最终在北极点相遇。这时,他们可能会得出这样的结论:一定存在某种神秘的力量把他们推到了一起。

然而,假如有一位太空旅行者观察了全部过程,他当然明白这是怎么回事,因为地球表面是弯曲的。所以,这两位探险家仅仅是沿着球面轮廓在前行,而在球面空间中,两条原本平行的直线也会相交,这与在平面空间里不一样。类似的,地球的卫星是在由地球创建的时空凹陷里沿着最直的路线移动。所以,我们所认为的引力,其实就是这些凹陷产生的效果。

在宇宙中,只要一个天体持续存在,其创建的四维时空凹陷就会始终存在。而由时空凹陷产生的效果就像是两个连体婴儿,一个代表时空,另一个代表质能,一个动了,另一个也会随之做出反应。物理学家约翰·惠勒喜欢说的一句话就是:“时空告诉物质如何移动,而物质告诉时空如何弯曲。”

至此,爱因斯坦真真正正、无可置疑地得出了他的广义相对论。由于牛顿的引力理论只考虑了空间,所以它是不完整的。空间不再像有史以来一直想象的那样,是一个了无生气、空荡荡的大舞台。回想起提出广义相对论的那段历程,爱因斯坦在他的自转笔记中写道:“牛顿,请原谅我。”

当然,爱因斯坦其实并不需要道歉,他并没有全面颠覆牛顿的万有引力定律。换句话说,牛顿的万有引力定律并没有错,它其实是相对论在低速情形之下的近似。利用牛顿的引力定律,人们完全可以处理地球层面上的普通物理学问题,因为在我们的日常生活中,引力是最微弱的力,对于一枚回形针来说,一小块磁铁就能轻而易举地战胜地球引力。牛顿的理论可以很方便地处理地球环境内的重力问题,所以,我们感谢牛顿!

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