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深度长文:爱因斯坦为何会说“引力是不存在的”?他想表达什么?

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看待任何问题,我们不能仅凭一句话就下结论,这样很容易造成误解,造成对事物本身的片面认知,甚至会完全扭曲事物的本质。我们应该结合一句话的前后背景,尤其是当时的社会背景去理解这句话的真正含义,否则很容易断章取义。

首先,爱因斯坦说过类似“引力并不存在”这样的话吗?

确实说过。当然,如果你非要抬杠“你亲耳听爱因斯坦说过吗?”,那我也无话可说。

但是,我们不能仅仅因为爱因斯坦说过“引力不存在”,就彻底“放飞自我”,就认为牛顿提出的万有引力理论完全错了,甚至去否定牛顿提出的一切理论。

当然这是不可取的,我们需要明白爱因斯坦是在什么背景下说出“引力不存在”这样的话,以及为什么会这么说。

下面就来具体分析一下当时的时代背景,先从牛顿时代说起。

我们都知道,三百多年前,牛顿在开普勒,伽利略等巨人的“肩膀上”提出了伟大的万有引力理论,认为宇宙万物之间都会产生引力,引力的大小与质量成正比,与距离的平方成反比。

当时的牛顿认为,引力是一种超距作用,可以做到瞬时传递,也就是说引力的传播不需要任何时间,是瞬间完成的。

牛顿提出的万有引力理论,确实能很好地解释宇宙万物的运行规律。不过,万有引力理论也有致命的“弱点”:无处不在的引力到底是如何传递的?

按照万有引力理论,即便是相隔很远的两个物体之间,也会有引力作用,但两个物体之间的引力到底是如何跨越时空传递给对方的呢?

牛顿当然也知道自己的万有引力理论存在缺陷,他无法解释引力到底是如何传递的,无法解释万有引力到底是如何产生的。但以牛顿时代的科学知识水平,这个问题有点难为他了。牛顿固然很伟大,但再伟大的人物也逃脱不了时代局限性的束缚,而任何时代都一定存在局限性,任何人都无法突破这种局限性。

而这个问题留给了几百年后的另一位同样伟大的人物,他就是爱因斯坦。

爱因斯坦同样也思考了万有引力产生的根源,思考为什么会有万有引力这种力量的存在。

不过爱因斯坦思考问题的层次完全不同,并不是从引力本身去思考的,而是延伸到了时空的特性。

1915年爱因斯坦提出了伟大的广义相对论,用时空弯曲来定义引力的本质。也就是说,引力其实只是时空弯曲的表象,引力也不是超距作用。当然你也可以认为引力是不存在的,它只是时空弯曲的外在表现形式而已。

按照广义相对论的诠释,时空本身是很有弹性的,时空中任何物体的运动都会对周围的时空造成不同程度的影响,这就像我们把一块石头扔进池塘,池塘里的水会产生涟漪或者漩涡,自然会影响池塘里的物体。

而且,任何物体,不管质量大小,都会对周围时空结构造成影响,只是影响的程度不同罢了。

一个物体对时空的扰动,自然会形成“时空陷阱”或者“时空漩涡”,也就是时空扭曲,而这种扭曲当然也会影响周围的物体,让周围的物体朝向“时空陷进或者漩涡”的方向运动,而这就是引力。

也就说说,宇宙万物其实都在沿着弯曲的时空做“测地线”运动,所谓测地线,就是四维时空中最短的距离,也是四维时空中的“直线”距离,只是从三维角度来看是弯曲的。

只不过,只有大质量天体造成的时空弯曲才会更明显,质量较小的物体弯曲时空的程度很微弱,很难表现出来。

提到时空弯曲,这里有必要强调一下,网络上描述时空弯曲时,都会描述成“弹簧床向下弯曲”的形式,其实这种描述方式是不严谨的,因为在太空中不存在“上下”概念,时空弯曲当然不知道该如何“向下”弯曲。

实际上,时空完全的方向是朝着物体质心的方向,而不是“向下”。当然,网络上的示意图更多的是从通俗的方式描述时空弯曲,更方便我们理解,但很多时候通俗往往意味着不太严谨。

那么问题来了,既然引力的本质是时空弯曲,也就是说引力其实是不存在的,为什么牛顿的万有引力理论没有被淘汰呢?甚至如今统治我们生活的仍旧是万有引力理论,而不是相对论呢?

原因很简单,虽然科学是很严谨的学科,但科学终究是要为人类服务的,这就意味着,严谨并不是人们最看重的,实用性更强才是人们看重的。

通俗来讲就是,不管黑猫白猫,抓住老鼠就是好猫。

与爱因斯坦广义相对论体系系的引力场方程相比,牛顿的万有引力理论其实就是近似值,是引力场方程在低引力情况下的特例和近似值。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同样能解释,比如说水星进动问题,万有引力理论并不能解释,但用时空弯曲就能很好解释。

但千万不要以为作为近似值的万有引力就一无是处了:既然有更精确的引力场方程,为什么还要用不太精确的万有引力定律呢?

刚才讲了,科学走进人类生活,更讲实用性,而万有引力理论的实用性恰恰比时空弯曲要好很多。说白了,万有引力虽然只是时空弯曲的近似值,但误差微乎其微,完全不会对我们的日常生活有任何影响。

更重要的是,牛顿万有引力方程非常简单,初中数学水平就能看懂并计算。

再反观广义相对论体系下的引力场方程,该方程是一个二阶非线性偏微分方程组,想要求解这个方程是相当困难的,即便是爱因斯坦本人,也是通过很多近似的方法从引力场方程中得出的很多预言。

打个比方就能更直观理解万有引力与引力场方程之间的区别了。

你买了一袋20斤的大米,想把大米搬到你家里,你家在6楼,没有电梯,你会怎么做呢?

区区20斤大米,任何成年人应该都会选择自己背到6楼,当然你也可以请别人背,无外乎花点钱,总之你会选择用人直接背上去。

但如果用一个超大吊车,把那袋大米直接吊到6楼行不行呢?

理论上当然是可行的,但这就涉及到实用性的问题:现实中谁会用吊车搬运一袋20斤重的大米呢?

选择万有引力就好比选择直接用人背,而引力场方程就相当于那台巨大的吊车。用吊车看起来更省劲,实际上可行性更差,会带来更多的麻烦,完全没有必要。

这也是为什么如今统治我们日常生活的并不是广义相对论,不是时空弯曲,仍旧是牛顿提出的万有引力定律。

比如说火箭发射,各种卫星和探测器的发射,用到的理论都是万有引力理论,该理论对于火星卫星的发射已经足够精确了。那微不足道的误差,甚至还没有你打个喷嚏对火箭发射造成的影响大!

当然,这并不是说爱因斯坦的广义相对论就没有用武之地了,只是说在我们地球这个狭小的空间里,根本用不到广义相对论这个“大侠”,它的用武之地是太空,是浩瀚的宇宙。人类终究会离开地球飞向浩瀚的太空,那一天才是广义相对论统治时期的到来。

相对论最典型的用途就是卫星定位系统。由于导航卫星通常都在距离地面2万多公里的太空,时速可达1.4万公里。

从狭义相对论来讲,速度越快时间就越慢,卫星上的时间比地面时间每天要慢7微秒。

而从广义相对论角度来讲,天上的卫星受到的引力更小,时间会更快,每天比地面时间快45微秒左右。

综合起来,卫星的时间每天比地面时间要快38微秒左右。一秒相当于一百万微秒,38微秒的时间非常短暂,但千万不要小看如此短暂的时间,如果不对卫星上的时间进行校正,每天累积下来的误差,很可能让导航系统直接把你导航到沟里去!

总结

到这里,应该明白爱因斯坦当初为什么会说“引力其实是不存在的”这句话了吧,爱因斯坦只是描述了引力的本质,让我们更精准地认识了世界的运行规律。

其实时空弯曲或许也并不是最精确的,时空弯曲的诠释也并非最终的真相,爱因斯坦也没有解释为什么时空会发生弯曲,而这个问题自然也留给了下一个伟大的物理学家!

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