深度长文：一口气搞懂，相对论和牛顿理论的区别在哪？

我们都知道牛顿引力统摄宇宙两百多年，最后在水星问题上栽了跟头，爱因斯坦的横空出世，让昔日光彩夺目的牛顿理论不再辉煌，今天我们就说下牛顿的理论和爱因斯坦的理论哪里不兼容？也就是说它们的区别到底在哪？

敢问敢想，牛顿引力都出现了哪些问题

牛顿的引力定律十分简明、直观：假如你有任意两个物体，并将它们任意放在宇宙中的两个位置，它们之间就会有相互的引力作用，其大小相等，方向相反。如果已知物体的位置和质量数据，只要将其代入这个定律的公式，就能算出物体受到的引力有多大。这个关于自然规律的定律既清晰又深邃，既适用于地球表面的一切事物，也适用于恒星、行星、卫星、彗星等天体世界，其能力令人惊叹。

但是，无论牛顿定律的推算结果多少次获得了观测者们的认同，在关于水星轨道进动的问题上，它却始终表现得很乏力。当然，谁也不愿意轻易断言牛顿定律错了。

从17世纪牛顿提出这个定律起，几百年来，从钟摆的往复运动到行星及其卫星之间的引潮力，凡是在重力统摄下的物体的运动状态，几乎都没有逃出依据这个定律做出的预测。不过，在推算水星轨道进动时出现的瑕疵，或许为这个定律的局限性揭开了冰山一角。

人们开始猜测，牛顿对宇宙万物运行机制的整体理解，有可能在最为基础的层面上存在着值得商榷的地方。其实，只要敢问敢想，确实能够发现一些让牛顿定律显得有点尴尬的问题，比如：假定太阳突然间不存在了，会发生什么？这个问题的意思是说，假如把太阳从整个太阳系中乃至整个宇宙中突然移走，各大行星接下来将如何运动？

由于从太阳到地球有大约1 亿5千万千米的路程，光线走完这段路程需要8分钟多一点的时间，那么在太阳突然消失之后的8分钟里，地球上应该依然阳光普照，谁也不知道太阳没有了。但是太阳消失之后，重力也应该立刻就消失了，那么地球和其他行星会不会像刚刚被运动员松开手之后的链球那样，立即脱离公转轨道，径直飞向外太空呢？或者，它们仍然会在轨道上正常运行一小会儿，等到太阳引力消失的后果传到它们身上之后再脱轨？

牛顿定律给出的答案更接近前者，即牛顿假定万有引力是能够瞬间传递，其传递速度是无穷高的，但他拿不出一个足够严格的证明去说明后一种猜测不正确。可以说这是牛顿定律无法彻底解答的一个问题。

狭义相对论和牛顿理论的不兼容

狭义相对论被提出之后，我们有了新的可以诘问牛顿的例子。比如，爱因斯坦著名的质能方程表明，质量只是能量的一种表现形式，那么这是不是等于在说，能量的其他表现形式也跟质量一样，可以体现万有引力的作用呢？一束光可以吸引其他物体，并被其他物体所吸引吗？牛顿的引力定律对这种问题也无法给出回答。

类似的问题还有：假如一个物体正在相对于另一个物体运动，此时它们之间的引力作用会有什么变化？或者，与两者相对保持静止时没有区别？狭义相对论指出物体在运动时，其尺度会在运动方向上收缩，那么此时要计算二者间的引力，距离数值是用因物体收缩而增长了的距离呢（对处于运动物体上的观察者而言），还是用不考虑收缩效应的距离呢（对处于静止物体上的观察者而言）？

同理，运动物体的质量会变大，那么万有引力公式中的质量值到底是该用物体静止时的质量，还是该用因为运动而增加了的质量呢？

除此之外，当两个物体之间有相对运动时，相互的引力作用会随时间而变化。我们知道，当两个带有电荷的粒子之间做这种相对运动时，它们会辐射出能量。那么，如果“质量”只是一种承载着引力的“引力荷”，则两个物体做相对运动时会不会放出引力类的辐射呢？

对自牛顿肇始的引力理论来说，这些出色的问题重如干钧，因为牛顿的理论面对这些问题不但不能正确地做出回答，在大多数情况下甚至连一个答复都给不出来！这一理论基于一种假设：宇宙中的物质数量是永恒不变的，处于任何位置的任何物质，在任何时刻都与宇宙中其他的所有物质之间有着相互的引力作用，而且这种作用的传导速度无限快，不需要时间过程。另外，牛顿虽然没有明确说过时间和空间也是绝对的、普遍适用的体系，但他的理论无疑间接地支持着这种观点。

相对论则用“相对”一词告诉我们：空间中的距离、时间的流逝，这些都不能绝对地计量，它们总是受到物体之间相对运动状况的影响。牛顿的引力定律无法解释水星轨道变化问题，自不待言；但从理论上看更为麻烦的是，它所建立的基本观念，与通过观察和实验都被确证了的狭义相对论是不能兼容的。

爱因斯坦认为“引力”和“相对性原理”是物理世界中极为重要的两个现象，他也非常希望二者能够变得彼此兼容。但是，要实现这一愿望，就意味着物理学体系必须发生变革，意味着需要一个更具有普遍性的关于相对性的理论。

广义相对论对牛顿引力的修正

牛顿引力理论中最引人怀疑的地方，大概就是“超距离作用”的观念了：凭什么说无论彼此相距多远的两个物体（哪怕它们从未彼此接近过）都能立刻给对方施加作用呢？对这种观念，牛顿只是起了一个名字action-at-a-distance，并没有做更多的解答。爱因斯坦对这种状态显然感到很不舒服，他试图找到一种办法去精确地解释万有引力的发生。

狭义相对论的一个重要观念是：所有物体，包括你和我，不仅都在空间中移动，而且也都在时间中单向移动，这两种运动是一体的，无法割裂开来。当一个物体相对于另一物体发生移动时，无论从哪个物体上看，另一个物体所处的时间都变慢了（因此所有与时间相关的变化过程也都减缓了）。这些想法催生了一个新的概念“时空”(spacetime)。

以此为基础更上一层楼之后，就出现了广义相对论。广义相对论最关心的问题是：“时空”与宇宙中所有的物质、能量之间到底是一种什么关系。一旦我们把宇宙万物在空间中的运动和在时间中的运动统一起来，看作在“时空”中的运动，那么就需要回答以下两个非常重大的问题：

• 1、处于时空之中的质量、能量和事物，会给时空造成什么样的效应？
• 2、容纳着所有质量、能量和事物的时空，会给万物的运动造成什么样的影响？

从1907年到1915年，爱因斯坦用了八年的时间，全力以赴研究这个问题（其间他向许多顶尖的数学家寻求了帮助），最终描绘出了一个逻辑上完全说得通的数理框架，是为“广义相对论”。这一理论的问世，让人类眼中的宇宙画卷发生了全然的改变。

所有物体，包括产生于宇宙空间中的辐射的粒子和量子，在这个新理论里都是重要的角色。如果没有它们，时空将是无比平坦的，但也不会有引力存在，即使仅有狭义相对论也足够解决问题了。但只要宇宙中存在哪怕一个有质量的粒子，它作为能量的一个极其微小的显现，也将让时空不再那么简单。其实，能量以任何形式的显现，不论是以物质形式还是以辐射形式，或者以某些更加奇特的形式，都会切实地改变时空的结构。

换句话说，空间和时间再也不像牛顿眼中的宇宙那样是恒定、静态、不变的度量体系。空间当然可以保持不变，但也可能延展或收缩，这取决于一系列物理变量。静止的东西没有必要再被视为静止的，而运动的东西也不必永远被视为运动的了：广义相对论说，所有物体都只沿着被弯曲了的时空而运动，而时空如何弯曲，则取决于我们这个宇宙中各种物质和能量当前是如何分布的。

按此理论，行星绕太阳运转并不是因为有某种看不见、摸不着的超距离作用牵引着，而是因为太阳系内的时空的肌理弯曲以太阳为中心。而我们感受到的重力作用也不是能够无限快地瞬间传递了，它传递的速度最快也无法超过光速。我们不妨把太阳系的空间和时间看作一张平整的床单（即二维的），任何具有一定质量（能量）的物体，如太阳、大行星、卫星、小行星等，都会在床单表面压出凹陷，从而改变床单的形状，这种改变会让我们感受到引力。

当然，在三维空间中想象这些可能会有点吃力，但原理其实完全没变：宇宙中所有具有质量或（和）能量的事物都会让时空扭曲变形，从而影响和改变其他所有事物承受的引力作用。以上就是牛顿引力和相对论的不同之处。