【按】本文鞭辟入里，提供了一种不同的思路与论证，或有利于你的视野广度。
作者：魏凤文；
来自：《时空物理纵横：近代时空观的建立》，1988年版。
根据牛顿关于力与运动的观点，很容易想到，苹果落地一定是受到了什么力的曳引；而月球环绕地球运动，地球环绕太阳运动，也一定是受到了什么力的曳引。牛顿认为，这个“曳引的力”就是引力。在总结开普勒三定律的基础上，牛顿建立了万有引力定律。
万有引力定律的威力，很快地显示了出来。用它能解释当时所知道的一切天体的运动，还能解释人们长时间不得其解的谜——在这以前，通过观测发现，太阳系内有些行星莫名其妙地晃动着，有人把它们形容为“醉汉”，这种现象在天文学中被称作“二分点岁差”。仔细观察月球，也有这种类似的现象。这种现象曾使开普勒摸不着头脑。牛顿本人也承认，这些问题使他大伤脑筋。
而万有引力定律的建立，使人们豁然开朗。其实，不论是某些行星的晃动也好，还是月球的晃动也好，都是它们受到了除太阳或地球以外其它附近星体引力作用的结果。
牛顿的运动定律和万有引力定律成功地解释了物体的运动规律，获得了巨大的成果，牛顿也随之名声大噪。专家学者们认为，牛顿不仅为人类开辟了一个新的理性的时代，也为人类展现了一个无比优美与和谐的宇宙。当时的人们感到，有了一种从未体验过的自信，认为只要按照牛顿的力学原理，就可以从极少的力学规律出发，把整个宇宙解释清楚。一句话，整个的宇宙应该是力学的。
事情果真那么顺利吗？尽管牛顿的万有引力定律与实际观测结果相吻合，可是在许多方面还是遇到了困难。首先出现的一个困难就是“两种质量”的问题。据说，伽里略曾经在比萨斜塔上同时抛下了两个球，它们大小相同，一个是木制的，另一个却是铁的。它们虽然重量不同，却同时落在地上。虽然这个现象可以用牛顿的万有引力定律及运动定律解释清楚，但是事先必须承认一个前提，这就是物体的惯性质量与万有引力质量必须完全等同。懂一点力学规律的人都知道，惯性质量和引力质量两个概念的引出方式不同、定义不同、物理意义也不同，它们本应是风马牛不相及的，却为什么总是一样的呢？难道这是偶然的吗？
为了考察物体的惯性质量和引力质量，牛顿挂起了两个摆长都是3米的单摆，摆锥分别是两个木盒子，其中一个装满了木头，另一个先后放进重量相同的金子、小麦、砂子、玻璃等不同的东西，然后观察两个摆的摆动。实验证明，无论替换什么材料，两个摆的摆动周期始终一样。这个实验表明，惯性质量与引力质量顶多只有不到0.001的差别。1889年，为了进一步证实两个质量的等同性，匈牙利物理学家厄阜又设计了一台极为精巧的扭秤。利用这台扭秤装置，厄阜证明惯性质量与引力质量彼此接近的程度达到了一亿分之一。在这以后，人们穷迫不舍。随着实验方法的改进，仪器的精度不断地提高，两种质量接近的程度竟然先后达到了1000亿分之一、10万亿分之一。甚至把检测装置放到月球上，两个质量依旧彼此等同。一切事实都表明，惯性质量与引力质量的等同性不是偶然的。
为什么两种质量完全等同呢？牛顿回答不出。爱因斯但却认为：这不是简单地巧合，在它的背后，必然有更深刻的道理。他曾写道：“在引力场中，一切物体都具有同一个加速度，这一点可以表述为惯性质量与引力质量相同的定律。这在当时，就使我认识到它的全部重要性。我为它感到惊奇，并猜想其中必有一把可以更加深刻地认识惯性和引力的钥匙。
牛顿引力理论”的另一个困难直接来自于万有引力定律本身。按万有引力定律，引力的大小与距离的平方成反比。可是这个距离如何确定呢？一切天体都在不停地运动着。按狭义相对论，对不在同一点上的两个物体，不可能有同一个“瞬时”。这样一来，相对于不同的观察者，牛顿的万有引力公式就不可能有着同一个形式。这个问题很严重：因为相对一个观察者（例如站在地球上的人）万有引力定律若是成立，相对另一个观察者（例如站在相对地球高速运行着的星球上的人）万有引力定律就不可能再成立，这就不可能把万有引力定律列人普遍成立的规律之中。
爱因斯坦认为，牛顿万有引力定律的致命处不在于它的精确性，也不在于它的表述形式；问题的根源是，根本就不存在什么引力！面对牛顿的困难，爱因斯坦提出了一个全新的设想。他认为，应孩把引力废除。废除了引力，出现在万有引力公式中的什么引力质量自然也就不复存在，“牛顿引力理论”的两个困难有可能一揽子得到解决。为了叙述和讨论的方便，我们仍然把废除了引力的爱因斯坦设想叫做“爱因斯坦引力理论”。
为了理解爱因斯坦的引力理论，首先应该跳出牛顿的纯力学世界。爱因斯坦认为，空间并不只是一个盛放物体的“刚性大厦”；空间不仅与物质密不可分，而且还会受到物质的作用。一个物体的形状、大小、位置和质量等都会对空间产生影响。这种影响就是使它周围的空间发生弯曲。当物体在一个弯曲空间中运动时，它的轨迹就自然是弯曲的。如果作为引力源的物体大小、形状、位置或者质量等发生变化，那么空间弯曲的情况就会受到扰动，通过扰动能使其它物体的运动受到影响。打一个粗浅的比喻，就好像在大海中，船只的运动会使周围的海水产生扰动，而海水的扰动又会影响鱼的运动一样。
爱因斯坦的这个设想既大胆又神奇，然而却很难被人接受。根据日常生活的经验，人们更容易接受牛顿的引力思想。有人感到爱因斯坦的思想太抽象，也太扑朔迷离。有人则认为在两个物体间的引力作用中，扯进什么“空间”是多余的。再加上爱因斯坦引力理论的张量关系很难搞懂，在爱因斯但与牛顿之间，人们还是愿意选择后者。
爱因斯但废除引力的道路并不平坦。他先大胆地取消了引力，代之以物质存在引起的弯曲空间，再利用弯曲空间的几何理论取代牛顿的万有引力定律。仅就爱因斯坦把空间的几何性质与物质结合在一起这一点说，就是震撼世界的关键一步。接着，为了建立一个全新的引力理论，爱因斯坦首先用描述弯曲的“曲率张量”来反映空间弯曲的性质。然后，他又把描述物质性质的能量、动量和质量等合并在一起，建立了一个描述物质的“能动张量”，继而在空间的曲率张量与物质的能动张量之间建立了二个方程，这就是著名的爱因斯但引力场方程。它是爱困斯坦引力理论的核心。
如何验证爱因斯坦引力理论的正确性呢？首先面临的一个困难就是如何找到引力场方程的解。自方程得出之后，70年过去了，人们只找到了少数几个特殊情况下的解。其中一个解是在爱因斯坦发表他的引力理论的第二年，就是１９１６年，由德国天文学家卡尔. 史瓦西（1873～1916年）得到的。幸好，史瓦西解与太阳的引力场相似。如果把史瓦西解与太阳系内的行星运动相比较，就可以很好地验证爱因斯坦的引力理论了。
人们把目光首先集中到了太阳系最里边的行星水星上。这不是偶然的，因为水星给牛顿出了一个难题。牛顿的引力理论虽然硕果累累，但它并不能解释水星轨道的进动。根据牛顿的引力理论，水星应沿一条封闭的椭圆轨道绕太阳运动，而太阳应位于此椭圆的一个焦点上。但令人奇怪的是，水星的椭圆轨道一直在缓慢地进动着。水星环绕太阳，在一条并不老实的椭圆轨道上运行。它大约每三个月公转一周即一个“水星年”。
在每个水星年中，总有一个离太阳最近的水星位置，它叫做“近日点”。细心的人发现，水星的椭圆轨道并不很规则：如果水星从一个近日点出发，一个水星年后，它并不正好回到原来的近日点上。由于这个偏差，水星的轨道不再是一个封闭的椭圆，而是一个转动着的开口椭圆，彼此散落开来，尤若一组梅花瓣。如果把每个近日点描绘下来，近日点本身也在绕着太阳旋转。
当然，水星轨道的偏离是很小的，相邻两个近日点到太阳中心连线之间的夹角只有43弧秒。尽管偏离如此之小，细心的人却没有放过它，许多人曾绞尽了脑汁，设想了种种的可能性。有人认为这是其它星球对水星的引力干扰；也有人认为这是因为质量随水星运动的速度发生了变化的结果。可是，计入这些因素也没有成功地找到答案。还有人效仿“从天王星的轨道异常发现海王星”的先例，设想或许在水星轨道内侧还有一颗更靠近太阳的行星，甚至还将其命名为“火神星”。可是，迄今却从未有人观测到这颗行星。看起来，牛顿的引力理论在水星问题上是遇到了点麻烦。牛顿的引力理论不能解释水星的反常运动，这说明我们需要在认识上来一个变革。
牛顿遇到麻烦的地方，正好可以用来检验爱因斯坦的正确性。按爱因斯坦的理论，受太阳质量的影响，太阳系的空间是弯曲的。离太阳越近，空间弯曲得越厉害；水星的质量最小，又处在空间弯曲最厉害的地方，空间对它的作用也就最明显。根据史瓦西得到的解，水星的近日点大约每300 万年环日一周，这个结果正好与观测的结果一致。就这样，爱因斯坦用他的“无引力”理论圆满的解释了水星的奇特行为。“水星进动”解释的成功，是对爱因斯坦引力理论的第一个证明。
物理学沿着循环的方式向前发展。新理论的确立，不能把旧理论简单地废除，像拨脏水似地一拨了之。仔细揣摩一下，人们不难找到新旧两个引力理论之间的联系。原来，牛顿的引力理论只是爱因斯坦引力理论的一个特殊情况。换句话说，如果“引力”充分弱，或空间弯曲得不明显，物体在其中运动的速度又不太大，就可以直接由爱因斯坦理论得到牛顿的结果。牛顿的引力理论被纳入到一个新的引力理论框架之中，在这个新的理论中，引力将不复存在，代之以空间的弯曲效应。
然而，不能认为爱因斯坦的广义相对论是终极真理。在引力方面，还存在广义相对论本身所不能解决的一些重大疑难问题，有待物理学家们研究解决。
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