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愛因斯坦:引力是不存在的他到底想表達(dá)什么?

2025-01-08 

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  對(duì)任何議題做出評(píng)判,切忌僅憑一句話輕率決定,以免誤解真相,造成對(duì)事態(tài)的偏頗認(rèn)知,乃至徹底扭曲了事情的本質(zhì)。我們必須審視一句話產(chǎn)生的前因后果,特別是背后的社會(huì)環(huán)境,以便掌握該語(yǔ)句的真正含義,否則便會(huì)輕易地?cái)嗾氯×x。

愛因斯坦:引力是不存在的他到底想表達(dá)什么?(圖1)

  然而,我們不能因此而輕率地認(rèn)為牛頓所提出的萬(wàn)有引力理論徹底錯(cuò)誤,甚至廢棄牛頓所提出的一切理論。

  這顯然并非明智之舉,我們需要探究愛因斯坦是在何種背景下說出“引力不存在”的言論,并了解背后的原因。

  眾所周知,三百多年前,牛頓在前人的研究成果之上,提出了著名的萬(wàn)有引力理論,認(rèn)為宇宙間所有物質(zhì)都存在引力作用,其大小與物體的質(zhì)量成正比,與距離的平方成反比。

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愛因斯坦:引力是不存在的他到底想表達(dá)什么?(圖2)

  當(dāng)時(shí),牛頓認(rèn)為,引力是一種即時(shí)作用力,即物體間無需時(shí)間傳遞即可互相影響。

  牛頓的萬(wàn)有引力理論在解釋宇宙物體運(yùn)動(dòng)上非常有效。然而,理論本身也有其致命弱點(diǎn):無所不在的引力是如何傳遞的?

  根據(jù)萬(wàn)有引力理論,哪怕是相隔甚遠(yuǎn)的兩個(gè)物體,它們之間也存在引力作用,但引力是如何跨越空間和時(shí)間影響對(duì)方的呢?

  牛頓當(dāng)然意識(shí)到其理論的缺陷,他無法解釋引力如何傳遞,以及萬(wàn)有引力的真正來源。但受限于當(dāng)時(shí)的科學(xué)認(rèn)知,這個(gè)問題對(duì)牛頓來說過于高深。牛頓雖是偉人,但同樣無法擺脫時(shí)代局限,任何時(shí)代均有其限制,任何人都難以超越。

愛因斯坦:引力是不存在的他到底想表達(dá)什么?(圖3)

  然而,愛因斯坦的思考層次與眾不同,他并未從引力本身入手,而是深入到時(shí)空特性的探討。

  1915年,愛因斯坦提出了著名的廣義相對(duì)論,用時(shí)空彎曲解釋了引力的本質(zhì)。換言之,引力不過是時(shí)空彎曲的外在表現(xiàn),引力并非即時(shí)作用力。因此,你也可以認(rèn)為引力實(shí)際上并不存在,它僅是時(shí)空彎曲的反映。

  根據(jù)廣義相對(duì)論,時(shí)空具有彈性,物體的運(yùn)動(dòng)會(huì)改變其周圍的時(shí)空結(jié)構(gòu),猶如一塊石頭落入池塘,池塘水面的漣漪或漩渦會(huì)影響水中物體的運(yùn)動(dòng)。

  此外,任何物體,無論質(zhì)量大小,都會(huì)影響其周圍的時(shí)空結(jié)構(gòu),只是影響程度不同而已。

愛因斯坦:引力是不存在的他到底想表達(dá)什么?(圖4)

  物體對(duì)時(shí)空的擾動(dòng)會(huì)形成“時(shí)空陷阱”或“時(shí)空漩渦”,即時(shí)空彎曲。這種彎曲自然會(huì)影響周圍物體的運(yùn)動(dòng),使它們朝向“時(shí)空陷阱或旋渦”方向移動(dòng),這就是引力。

  因此,宇宙萬(wàn)物實(shí)際上都在沿著彎曲的時(shí)空做“測(cè)地線”運(yùn)動(dòng),即四維時(shí)空中的最短路徑,也是四維時(shí)空中的“直線”,但在三維空間看來是彎曲的。

  只是,大質(zhì)量天體所造成的時(shí)空彎曲更為明顯,而質(zhì)量較小的物體造成的彎曲則很微弱,不易察覺。

愛因斯坦:引力是不存在的他到底想表達(dá)什么?(圖5)

  提及時(shí)空彎曲,這里有必要強(qiáng)調(diào),網(wǎng)絡(luò)上描述時(shí)空彎曲時(shí)通常將其比喻為“彈簧床向下彎曲”,這種表述并不嚴(yán)謹(jǐn),因?yàn)樵谔罩胁⒉淮嬖凇吧舷隆敝郑瑫r(shí)空彎曲自然不會(huì)“向下”彎曲。

愛因斯坦:引力是不存在的他到底想表達(dá)什么?(圖6)

  實(shí)際上,時(shí)空的彎曲方向是朝向物體的質(zhì)量中心,而不是“向下”。網(wǎng)絡(luò)上的示意圖更多是為了通俗易懂,幫助我們理解,但往往通俗意味著不夠嚴(yán)謹(jǐn)。

  那么,既然引力的本質(zhì)是時(shí)空彎曲,引力似乎并不存在,為何牛頓的萬(wàn)有引力理論至今仍被廣泛使用,而非被相對(duì)論所取代?

  原因很簡(jiǎn)單,盡管科學(xué)追求嚴(yán)謹(jǐn),但科學(xué)最終是為人類服務(wù)的,因此,人們更重視其實(shí)用性而非純科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性。

  與愛因斯坦的引力場(chǎng)方程相比,牛頓的萬(wàn)有引力理論實(shí)際上是近似值,是在低引力條件下引力場(chǎng)方程的特例和近似值。也就是說,萬(wàn)有引力能解釋的,引力場(chǎng)方程也能解釋,而萬(wàn)有引力不能解釋的,廣義相對(duì)論和引力場(chǎng)方程也能解決,例如水星進(jìn)動(dòng)問題,萬(wàn)有引力理論無法解釋,但用時(shí)空彎曲就能清楚地說明。

  然而,這并不意味著作為近似值的萬(wàn)有引力理論毫無價(jià)值:既然有了更精確的引力場(chǎng)方程,為何還要使用不太精確的萬(wàn)有引力定律呢?

  答案在于科學(xué)的實(shí)用性,萬(wàn)有引力理論在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)用性遠(yuǎn)超時(shí)空彎曲。換句話說,盡管萬(wàn)有引力只是時(shí)空彎曲的近似值,但其誤差微小,對(duì)我們的日常生活沒有任何影響。

愛因斯坦:引力是不存在的他到底想表達(dá)什么?(圖7)

  更重要的是,牛頓的萬(wàn)有引力方程非常簡(jiǎn)單,僅需初中數(shù)學(xué)知識(shí)就能理解和計(jì)算。

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愛因斯坦:引力是不存在的他到底想表達(dá)什么?(圖8)

  相比之下,廣義相對(duì)論體系下的引力場(chǎng)方程是一個(gè)二階非線性偏微分方程組,求解極為困難,即使是愛因斯坦本人,也只能通過很多近似方法從中得出一些預(yù)測(cè)。

  假設(shè)你買了一袋20斤的大米,需要將其搬至6樓的家中,沒有電梯,你會(huì)怎么做?

  面對(duì)這樣的情況,任何人都會(huì)選擇直接背上去,或者花錢請(qǐng)人背,總之,你會(huì)選擇直接背上去。

  選擇萬(wàn)有引力就像直接用人背,而引力場(chǎng)方程則如同那臺(tái)巨大的吊車。雖然吊車看似更省力,但在現(xiàn)實(shí)中并不實(shí)用,反而會(huì)帶來更多問題,完全沒有必要。

愛因斯坦:引力是不存在的他到底想表達(dá)什么?(圖9)

  因此,至今主導(dǎo)我們?nèi)粘I畹娜允桥nD提出的萬(wàn)有引力定律,而非時(shí)空彎曲,這并不是說廣義相對(duì)論沒有用武之地,只是在我們所處的狹小空間內(nèi),還不需動(dòng)用廣義相對(duì)論這把“大刀”。廣義相對(duì)論的應(yīng)用主要在太空和宇宙領(lǐng)域,當(dāng)人類離開地球,飛向廣闊的宇宙時(shí),那便是廣義相對(duì)論真正發(fā)揮作用的時(shí)刻。

  相對(duì)論的一個(gè)典型應(yīng)用是衛(wèi)星定位系統(tǒng)。導(dǎo)航衛(wèi)星通常位于距地面2萬(wàn)多公里的太空,速度可達(dá)1.4萬(wàn)公里/小時(shí)。

愛因斯坦:引力是不存在的他到底想表達(dá)什么?(圖10)

  從狹義相對(duì)論來看,速度越快,時(shí)間越慢,衛(wèi)星上的時(shí)間比地面時(shí)間每天慢7微秒。

  從廣義相對(duì)論的角度看,衛(wèi)星受到的引力較小,時(shí)間過得更快,衛(wèi)星上的時(shí)間比地面時(shí)間每天快45微秒左右。

  綜合來看,衛(wèi)星的時(shí)間每天比地面時(shí)間快38微秒左右。一秒等于一百萬(wàn)微秒,38微秒看似短暫,但忽視這微小的時(shí)間差異,導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差可能會(huì)將你引導(dǎo)至錯(cuò)誤的地點(diǎn)。

愛因斯坦:引力是不存在的他到底想表達(dá)什么?(圖11)

  由此,我們應(yīng)當(dāng)理解愛因斯坦為何會(huì)說“引力實(shí)際上不存在”這句話,他僅僅是闡述了引力的本質(zhì),使我們能更精確地了解世界的運(yùn)作。

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