对任何议题做出评判,切忌仅凭一句话轻率决定,以免误解真相,造成对事态的偏颇认知,乃至彻底扭曲了事情的本质。我们必须审视一句话产生的前因后果,特别是背后的社会环境,以便掌握该语句的真正含义,否则便会轻易地断章取义。
首先,爱因斯坦真的曾提到“引力实际上不存在”吗?
确实有此一说。如果你非要质疑“你亲耳所闻吗?”,我便无言以对。
然而,我们不能因此而轻率地认为牛顿所提出的万有引力理论彻底错误,甚至废弃牛顿所提出的一切理论。
这显然并非明智之举,我们需要探究爱因斯坦是在何种背景下说出“引力不存在”的言论,并了解背后的原因。
现在,我们来详细探讨一下当时的历史背景,让我们从牛顿时代开始说起。
众所周知,三百多年前,牛顿在前人的研究成果之上,提出了著名的万有引力理论,认为宇宙间所有物质都存在引力作用,其大小与物体的质量成正比,与距离的平方成反比。
当时,牛顿认为,引力是一种即时作用力,即物体间无需时间传递即可互相影响。
牛顿的万有引力理论在解释宇宙物体运动上非常有效。然而,理论本身也有其致命弱点:无所不在的引力是如何传递的?
根据万有引力理论,哪怕是相隔甚远的两个物体,它们之间也存在引力作用,但引力是如何跨越空间和时间影响对方的呢?
牛顿当然意识到其理论的缺陷,他无法解释引力如何传递,以及万有引力的真正来源。但受限于当时的科学认知,这个问题对牛顿来说过于高深。牛顿虽是伟人,但同样无法摆脱时代局限,任何时代均有其限制,任何人都难以超越。
这个问题最终交到了数百年后另一位伟人手中,他就是爱因斯坦。
爱因斯坦同样深入思考了万有引力的根源,探索了引力存在的原因。
然而,爱因斯坦的思考层次与众不同,他并未从引力本身入手,而是深入到时空特性的探讨。
1915年,爱因斯坦提出了著名的广义相对论,用时空弯曲解释了引力的本质。换言之,引力不过是时空弯曲的外在表现,引力并非即时作用力。因此,你也可以认为引力实际上并不存在,它仅是时空弯曲的反映。
根据广义相对论,时空具有弹性,物体的运动会改变其周围的时空结构,犹如一块石头落入池塘,池塘水面的涟漪或漩涡会影响水中物体的运动。
此外,任何物体,无论质量大小,都会影响其周围的时空结构,只是影响程度不同而已。
物体对时空的扰动会形成“时空陷阱”或“时空漩涡”,即时空弯曲。这种弯曲自然会影响周围物体的运动,使它们朝向“时空陷阱或旋涡”方向移动,这就是引力。
因此,宇宙万物实际上都在沿着弯曲的时空做“测地线”运动,即四维时空中的最短路径,也是四维时空中的“直线”,但在三维空间看来是弯曲的。
只是,大质量天体所造成的时空弯曲更为明显,而质量较小的物体造成的弯曲则很微弱,不易察觉。
提及时空弯曲,这里有必要强调,网络上描述时空弯曲时通常将其比喻为“弹簧床向下弯曲”,这种表述并不严谨,因为在太空中并不存在“上下”之分,时空弯曲自然不会“向下”弯曲。
实际上,时空的弯曲方向是朝向物体的质量中心,而不是“向下”。网络上的示意图更多是为了通俗易懂,帮助我们理解,但往往通俗意味着不够严谨。
那么,既然引力的本质是时空弯曲,引力似乎并不存在,为何牛顿的万有引力理论至今仍被广泛使用,而非被相对论所取代?
原因很简单,尽管科学追求严谨,但科学最终是为人类服务的,因此,人们更重视其实用性而非纯科学的严谨性。
通俗来说,就是能抓老鼠的就是好猫。
与爱因斯坦的引力场方程相比,牛顿的万有引力理论实际上是近似值,是在低引力条件下引力场方程的特例和近似值。也就是说,万有引力能解释的,引力场方程也能解释,而万有引力不能解释的,广义相对论和引力场方程也能解决,例如水星进动问题,万有引力理论无法解释,但用时空弯曲就能清楚地说明。
然而,这并不意味着作为近似值的万有引力理论毫无价值:既然有了更精确的引力场方程,为何还要使用不太精确的万有引力定律呢?
答案在于科学的实用性,万有引力理论在实际应用中的实用性远超时空弯曲。换句话说,尽管万有引力只是时空弯曲的近似值,但其误差微小,对我们的日常生活没有任何影响。
更重要的是,牛顿的万有引力方程非常简单,仅需初中数学知识就能理解和计算。
相比之下,广义相对论体系下的引力场方程是一个二阶非线性偏微分方程组,求解极为困难,即使是爱因斯坦本人,也只能通过很多近似方法从中得出一些预测。
通过一个比喻可以更直观地了解万有引力与引力场方程的区别。
假设你买了一袋20斤的大米,需要将其搬至6楼的家中,没有电梯,你会怎么做?
面对这样的情况,任何人都会选择直接背上去,或者花钱请人背,总之,你会选择直接背上去。
但如果用一台巨大的吊车,直接将大米吊到6楼呢?
理论上这可行,但实际中谁会这样做呢?
选择万有引力就像直接用人背,而引力场方程则如同那台巨大的吊车。虽然吊车看似更省力,但在现实中并不实用,反而会带来更多问题,完全没有必要。
因此,至今主导我们日常生活的仍是牛顿提出的万有引力定律,而非时空弯曲,这并不是说广义相对论没有用武之地,只是在我们所处的狭小空间内,还不需动用广义相对论这把“大刀”。广义相对论的应用主要在太空和宇宙领域,当人类离开地球,飞向广阔的宇宙时,那便是广义相对论真正发挥作用的时刻。
相对论的一个典型应用是卫星定位系统。导航卫星通常位于距地面2万多公里的太空,速度可达1.4万公里/小时。
从狭义相对论来看,速度越快,时间越慢,卫星上的时间比地面时间每天慢7微秒。
从广义相对论的角度看,卫星受到的引力较小,时间过得更快,卫星上的时间比地面时间每天快45微秒左右。
综合来看,卫星的时间每天比地面时间快38微秒左右。一秒等于一百万微秒,38微秒看似短暂,但忽视这微小的时间差异,导航系统的误差可能会将你引导至错误的地点。
总结
由此,我们应当理解爱因斯坦为何会说“引力实际上不存在”这句话,他仅仅是阐述了引力的本质,使我们能更精确地了解世界的运作。
时空弯曲也许并非最终的真理,它背后的原因仍有待未来的物理学家解答。