看待任何問題,我們不能僅憑一句話就下結論,這樣很容易造成誤解,造成對事物本身的片面認知,甚至會完全扭曲事物的本質。我們應該結合一句話的前後背景,尤其是當時的社會背景去理解這句話的真正含義,否則很容易斷章取義。
首先,愛因斯坦說過類似“引力並不存在”這樣的話嗎?
確實說過。當然,如果你非要抬槓“你親耳聽愛因斯坦說過嗎?”,那我也無話可說。
但是,我們不能僅僅因為愛因斯坦說過“引力不存在”,就徹底“放飛自我”,就認為牛頓提出的萬有引力理論完全錯了,甚至去否定牛頓提出的一切理論。
當然這是不可取的,我們需要明白愛因斯坦是在什麼背景下說出“引力不存在”這樣的話,以及為什麼會這麼說。
下面就來具體分析一下當時的時代背景,先從牛頓時代說起。
我們都知道,三百多年前,牛頓在開普勒,伽利略等巨人的“肩膀上”提出了偉大的萬有引力理論,認為宇宙萬物之間都會產生引力,引力的大小與質量成正比,與距離的平方成反比。
當時的牛頓認為,引力是一種超距作用,可以做到瞬時傳遞,也就是說引力的傳播不需要任何時間,是瞬間完成的。
牛頓提出的萬有引力理論,確實能很好地解釋宇宙萬物的執行規律。不過,萬有引力理論也有致命的“弱點”:無處不在的引力到底是如何傳遞的?
按照萬有引力理論,即便是相隔很遠的兩個物體之間,也會有引力作用,但兩個物體之間的引力到底是如何跨越時空傳遞給對方的呢?
牛頓當然也知道自己的萬有引力理論存在缺陷,他無法解釋引力到底是如何傳遞的,無法解釋萬有引力到底是如何產生的。但以牛頓時代的科學知識水平,這個問題有點難為他了。牛頓固然很偉大,但再偉大的人物也逃脫不了時代侷限性的束縛,而任何時代都一定存在侷限性,任何人都無法突破這種侷限性。
而這個問題留給了幾百年後的另一位同樣偉大的人物,他就是愛因斯坦。
愛因斯坦同樣也思考了萬有引力產生的根源,思考為什麼會有萬有引力這種力量的存在。
不過愛因斯坦思考問題的層次完全不同,並不是從引力本身去思考的,而是延伸到了時空的特性。
1915年愛因斯坦提出了偉大的廣義相對論,用時空彎曲來定義引力的本質。也就是說,引力其實只是時空彎曲的表象,引力也不是超距作用。當然你也可以認為引力是不存在的,它只是時空彎曲的外在表現形式而已。
按照廣義相對論的詮釋,時空本身是很有彈性的,時空中任何物體的運動都會對周圍的時空造成不同程度的影響,這就像我們把一塊石頭扔進池塘,池塘裡的水會產生漣漪或者漩渦,自然會影響池塘裡的物體。
而且,任何物體,不管質量大小,都會對周圍時空結構造成影響,只是影響的程度不同罷了。
一個物體對時空的擾動,自然會形成“時空陷阱”或者“時空漩渦”,也就是時空扭曲,而這種扭曲當然也會影響周圍的物體,讓周圍的物體朝向“時空陷進或者漩渦”的方向運動,而這就是引力。
也就說說,宇宙萬物其實都在沿著彎曲的時空做“測地線”運動,所謂測地線,就是四維時空中最短的距離,也是四維時空中的“直線”距離,只是從三維角度來看是彎曲的。
只不過,只有大質量天體造成的時空彎曲才會更明顯,質量較小的物體彎曲時空的程度很微弱,很難表現出來。
提到時空彎曲,這裡有必要強調一下,網路上描述時空彎曲時,都會描述成“彈簧床向下彎曲”的形式,其實這種描述方式是不嚴謹的,因為在太空中不存在“上下”概念,時空彎曲當然不知道該如何“向下”彎曲。
實際上,時空完全的方向是朝著物體質心的方向,而不是“向下”。當然,網路上的示意圖更多的是從通俗的方式描述時空彎曲,更方便我們理解,但很多時候通俗往往意味著不太嚴謹。
那麼問題來了,既然引力的本質是時空彎曲,也就是說引力其實是不存在的,為什麼牛頓的萬有引力理論沒有被淘汰呢?甚至如今統治我們生活的仍舊是萬有引力理論,而不是相對論呢?
原因很簡單,雖然科學是很嚴謹的學科,但科學終究是要為人類服務的,這就意味著,嚴謹並不是人們最看重的,實用性更強才是人們看重的。
通俗來講就是,不管黑貓白貓,抓住老鼠就是好貓。
與愛因斯坦廣義相對論體系系的引力場方程相比,牛頓的萬有引力理論其實就是近似值,是引力場方程在低引力情況下的特例和近似值。也就是說,萬有引力能解釋的,引力場方程也能解釋,而萬有引力不能解釋的,廣義相對論和引力場方程同樣能解釋,比如說水星進動問題,萬有引力理論並不能解釋,但用時空彎曲就能很好解釋。
但千萬不要以為作為近似值的萬有引力就一無是處了:既然有更精確的引力場方程,為什麼還要用不太精確的萬有引力定律呢?
剛才講了,科學走進人類生活,更講實用性,而萬有引力理論的實用性恰恰比時空彎曲要好很多。說白了,萬有引力雖然只是時空彎曲的近似值,但誤差微乎其微,完全不會對我們的日常生活有任何影響。
更重要的是,牛頓萬有引力方程非常簡單,初中數學水平就能看懂並計算。
再反觀廣義相對論體系下的引力場方程,該方程是一個二階非線性偏微分方程組,想要求解這個方程是相當困難的,即便是愛因斯坦本人,也是透過很多近似的方法從引力場方程中得出的很多預言。
打個比方就能更直觀理解萬有引力與引力場方程之間的區別了。
你買了一袋20斤的大米,想把大米搬到你家裡,你家在6樓,沒有電梯,你會怎麼做呢?
區區20斤大米,任何成年人應該都會選擇自己背到6樓,當然你也可以請別人背,無外乎花點錢,總之你會選擇用人直接背上去。
但如果用一個超大吊車,把那袋大米直接吊到6樓行不行呢?
理論上當然是可行的,但這就涉及到實用性的問題:現實中誰會用吊車搬運一袋20斤重的大米呢?
選擇萬有引力就好比選擇直接用人背,而引力場方程就相當於那臺巨大的吊車。用吊車看起來更省勁,實際上可行性更差,會帶來更多的麻煩,完全沒有必要。
這也是為什麼如今統治我們日常生活的並不是廣義相對論,不是時空彎曲,仍舊是牛頓提出的萬有引力定律。
比如說火箭發射,各種衛星和探測器的發射,用到的理論都是萬有引力理論,該理論對於火星衛星的發射已經足夠精確了。那微不足道的誤差,甚至還沒有你打個噴嚏對火箭發射造成的影響大!
當然,這並不是說愛因斯坦的廣義相對論就沒有用武之地了,只是說在我們地球這個狹小的空間裡,根本用不到廣義相對論這個“大俠”,它的用武之地是太空,是浩瀚的宇宙。人類終究會離開地球飛向浩瀚的太空,那一天才是廣義相對論統治時期的到來。
相對論最典型的用途就是衛星定位系統。由於導航衛星通常都在距離地面2萬多公里的太空,時速可達1.4萬公里。
從狹義相對論來講,速度越快時間就越慢,衛星上的時間比地面時間每天要慢7微秒。
而從廣義相對論角度來講,天上的衛星受到的引力更小,時間會更快,每天比地面時間快45微秒左右。
綜合起來,衛星的時間每天比地面時間要快38微秒左右。一秒相當於一百萬微秒,38微秒的時間非常短暫,但千萬不要小看如此短暫的時間,如果不對衛星上的時間進行校正,每天累積下來的誤差,很可能讓導航系統直接把你導航到溝裡去!
總結
到這裡,應該明白愛因斯坦當初為什麼會說“引力其實是不存在的”這句話了吧,愛因斯坦只是描述了引力的本質,讓我們更精準地認識了世界的執行規律。
其實時空彎曲或許也並不是最精確的,時空彎曲的詮釋也並非最終的真相,愛因斯坦也沒有解釋為什麼時空會發生彎曲,而這個問題自然也留給了下一個偉大的物理學家!