大家好，今天我們來(lái)聊一聊無(wú)處不在卻又充滿神秘的引力。萬(wàn)有引力定律最早是由牛頓在17世紀(jì)提出，隨后的一、二百年間牛頓的理論幾乎是無(wú)往不利，可是在一些更深入的問(wèn)題上，牛頓萬(wàn)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(jìn)動(dòng)問(wèn)題……

接下來(lái)，就該本文主角愛(ài)因斯坦登場(chǎng)了。在文章開(kāi)始前，小編先說(shuō)明一下，我并不是資深專業(yè)人士，知識(shí)上或許有不足之處，各位看官閱讀文章就權(quán)當(dāng)消遣。文章中有許多打比方的說(shuō)明方式，籠統(tǒng)地加以形容，但真實(shí)的物理知識(shí)比這要復(fù)雜得多，而且必須用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)來(lái)加以描述。

1905年，被譽(yù)為物理學(xué)的奇跡之年，這一年，年僅26歲的愛(ài)因斯坦發(fā)表了5篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文。每一篇都開(kāi)啟了一個(gè)全新的物理領(lǐng)域。其中，最重要的就是6月30日發(fā)表的《論動(dòng)體電動(dòng)力學(xué)》，也就是狹義相對(duì)論。它以“光速不變”為基礎(chǔ)推導(dǎo)出了一整套全新的物理體系，彌補(bǔ)了牛頓舊有時(shí)空觀念的薄弱之處。

狹義相對(duì)論橫空出世之后，愛(ài)因斯坦一躍成為物理學(xué)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(ài)因斯坦的心中。那就是，狹義相對(duì)論只能描述勻速運(yùn)動(dòng)和慣性系，對(duì)于加速運(yùn)動(dòng)或非慣性系卻束手無(wú)策。但是，我們生活的現(xiàn)實(shí)世界幾乎不存在勻速運(yùn)動(dòng)和慣性系統(tǒng)。我們腳下的地球在圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)，太陽(yáng)又帶著八大行星圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)。狹義相對(duì)論似乎只是花哨的數(shù)學(xué)魔術(shù)，對(duì)于解決實(shí)際問(wèn)題沒(méi)有一點(diǎn)作用。

廣義相對(duì)論的種子在愛(ài)因斯坦的心中悄然萌發(fā)，為此愛(ài)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?yàn)樘O果落在頭上，而創(chuàng)立出萬(wàn)有引力定律。據(jù)傳，正當(dāng)愛(ài)因斯坦為廣義相對(duì)論絞盡腦汁時(shí)，在報(bào)紙上看見(jiàn)一則新聞，一位裝修工人在工作時(shí)，不小心從大樓頂層墜亡。愛(ài)因斯坦受此啟發(fā)，完成了一個(gè)至關(guān)重要的思維實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)者準(zhǔn)備乘電梯從摩天大樓頂層至底樓時(shí)，他進(jìn)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(shí)驗(yàn)者在電梯里就會(huì)有失重的感覺(jué)。那如果我們把這截全封閉的電梯帶到太空，里面的實(shí)驗(yàn)者同樣也會(huì)有失重的感覺(jué)。但是在全封閉的電梯里，實(shí)驗(yàn)者是無(wú)法分辨到底是因?yàn)榧铀俣冗€是引力的原因造成自己失重的。

加速度和引力帶來(lái)的效果是相同的，這就是等效原理。可別小看這個(gè)推論，它的意義相當(dāng)于“光速不變”之于狹義相對(duì)論。打通這一關(guān)節(jié)后，愛(ài)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(duì)論。廣義相對(duì)論在宏觀上對(duì)引力的詮釋堪稱完美——物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)。

在愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論中，引力被描述為一種時(shí)空彎曲的現(xiàn)象。我們想象，時(shí)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(gè)大質(zhì)量的鉛球。它會(huì)把彈簧床壓成一個(gè)凹洞，再把小質(zhì)量的彈珠放在凹洞邊，它就會(huì)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(shí)空彎曲的現(xiàn)象。

愛(ài)因斯坦是怎樣由“等效原理”洞見(jiàn)到引力的本質(zhì)的呢？我們還是用電梯來(lái)做一場(chǎng)思維實(shí)驗(yàn)。

假設(shè)，電梯正在快速向上運(yùn)行，我們?cè)陔娞蓍T上鉆一個(gè)小孔，讓一束光射進(jìn)來(lái)，當(dāng)光線穿過(guò)電梯，投射到電梯后壁時(shí)，由于電梯已向上運(yùn)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(duì)應(yīng)的位置。從上帝視角來(lái)看，光線會(huì)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(huì)因?yàn)槭艿降厍虻囊Χ蛳缕邸Φ谋举|(zhì)就是時(shí)空的彎曲！

這看似簡(jiǎn)單的思維實(shí)驗(yàn)，背后的道理凝結(jié)了愛(ài)因斯坦十年的心血。廣義相對(duì)論中的引力場(chǎng)方程艱難誕生后，物理學(xué)家們可以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)語(yǔ)言計(jì)算、描述廣袤的宇宙，以此為基礎(chǔ)，隨后的幾十年間，一個(gè)個(gè)諾獎(jiǎng)級(jí)的驚世預(yù)言紛紛呈現(xiàn)在世人眼前：引力減緩時(shí)間，引力紅移，黑洞，蟲洞，引力波……

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