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引力的本质到底是什么?爱因斯坦站在牛顿肩膀上给出答案
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2023.03.03 四川

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这个故事很多人都听说过:牛顿研究苹果落地。

1655年的某一天,一个年轻人坐在苹果树下,突然一个苹果从树上落下,这个再平常不过的短短几秒钟的动作,在我们看来没什么大不了。

但是那个年轻人对苹果为什么会落地进行了深入思考,进而勾勒出了宏大的宇宙图景,进行大胆猜测,万有引力呼之欲出。

这个年轻人就是牛顿。

当然,故事是否是真的已经不再重要,牛顿也不可能单凭苹果落地就能发现万有引力,那只是促使他进行深入思考的灵感而已。

万有引力定律提出了几百年,如今仍然统治着我们的日常生活。万有引力定律可谓上天入地,可以让火箭升天,也可以上潜艇入水,更能让我们稳稳地站在地面上。

但是在这伟大的背后有一个尴尬的秘密:万有引力到底是如何发生的?

牛顿当然想知道引力发生的本质,但受制于时代的局限性,牛顿时代几乎不可能完成整个艰巨的任务。之后的几百年里,科学家对这个问题也是避而不谈,非常满足于牛顿的万有引力定律。

而两百多年之后,瑞士专利局里一个小小的职员改变了这一切,基于对光的本质进行的深入思考,引领着他揭开引力的本质。

这个小小的职员就是伟大的爱因斯坦。

当年仅仅20多岁的爱因斯坦就有惊人的发现:光速是宇宙速度极限,没有任何物体的速度能超越光速。

而问题就在于,“光速是宇宙速度极限”与牛顿经典力学发生了冲突,什么样的冲突呢?

第一,牛顿认为引力的作用是瞬时传播的,不需要任何时间。但是爱因斯坦认为,光速是宇宙速度极限,包括信息在内的任何东西速度都不会超过光速。

第二,按照牛顿经典力学诠释,给一个物体持续施加力,物体就会一直加速,只要时间足够长,物体的速度就会超越光速。显然这与“光速是宇宙速度极限”相悖。

可以看出,爱因斯坦描述出了一幅全新的宇宙图景,在图景中引力也无法超越光速,引力的传播也需要时间。

接下来爱因斯坦深入思考了时间和空间的奥秘,提出了全新的“四维时空”概念,认为时空结构并不是绝对不变的,而是相对的。时空结构就像弹性布料那样具有弹性,可以被拉伸,弯曲,折叠,甚至被撕裂。

而引力的本质就是时空弯曲,万物沿着被弯曲的时空做测地线运动,就如同弹性蹦床那样,物体感受到弯曲的时候,表现出来的就是引力。

当然,用弹性布料或者蹦床描述时空弯曲并不严谨,只是通俗的方式。因为宇宙中并不存在上下之分,时空弯曲的方向是物体的质心,而物体运动的同时也会拉拽着时空一起运动:

爱因斯坦用广义相对论揭示了引力的本质,向我们描述了一个完全颠覆传统的时空概念。

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