來源頭條作者:全面剖析

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我們通常認(rèn)為，地球的引力是可以用秤來稱重的，比如你踩上一個(gè)秤，顯示出來的體重，就代表地球?qū)δ愕囊τ卸嗌佟?/p>宇宙中也有引力，太陽系中的行星，能規(guī)矩地按照軌道行進(jìn)，就是因?yàn)樘柕囊Α?/p>此外，擁有強(qiáng)大引力的還有黑洞，這些都是萬有引力的理論，很容易理解。

但是愛因斯坦的廣義相對(duì)論，卻對(duì)引力有不同的解釋，他認(rèn)為引力根本不是力，而是另一種復(fù)雜的宇宙現(xiàn)象。

本期內(nèi)容就來剖析一下，廣義相對(duì)論是如何定義引力的？以及它在宇宙的研究上究竟有多準(zhǔn)確？

每個(gè)人都聽過牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力的故事，不過故事中的蘋果并沒有砸在他頭上，而是他看到蘋果從樹上掉下，于是開始思考，為什么蘋果會(huì)垂直掉到地上，而不是向著其他方向運(yùn)動(dòng)。

牛頓推測(cè)，是蘋果和地面之間的引力，將它們拉向彼此。引力的大小，與物體質(zhì)量的乘積成正比，與距離的平方成反比。

這種牽引讓物體運(yùn)動(dòng)的路徑最短，同時(shí)能最大程度地減少能耗。他還認(rèn)為，蘋果掉落是重力讓它向地面加速運(yùn)動(dòng)。

牛頓最初認(rèn)為引力只是種推力，而不是拉力，但他覺得自己的理論欠缺了些什么。

不過這不妨礙大多數(shù)人認(rèn)可他的萬有引力定律，并且毫不動(dòng)搖地相信了近400年。

廣義相對(duì)論改變引力理論直到愛因斯坦在1915年提出了廣義相對(duì)論，人們才開始重新審視引力的概念。

當(dāng)時(shí)，人們嘲笑愛因斯坦居然敢挑戰(zhàn)牛頓，認(rèn)為他的觀點(diǎn)太過激進(jìn)，不可信。廣義相對(duì)論中一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是，引力場(chǎng)中所有的物體，都以同樣的速度下落。

幸好，愛因斯坦不是一個(gè)人在戰(zhàn)斗。這點(diǎn)是伽利略先得出的，他發(fā)現(xiàn)在沒有大氣阻力的情況下，同一高度，不同質(zhì)量和形態(tài)的物體自由落體，會(huì)同時(shí)落地，這叫等效原理。

1971年阿波羅15號(hào)的宇航員，也在月球上做了跟伽利略一樣的實(shí)驗(yàn)，他同時(shí)放開一片羽毛和一把鐵錘，質(zhì)量相差如此之大的兩個(gè)物體，竟然同時(shí)落地。

這個(gè)理論表示，引力加速度與物體的組成無關(guān)。

根據(jù)愛因斯坦的理論，引力不是物體之間的力量，而是有質(zhì)量的物體發(fā)生了空間和時(shí)間的扭曲，如果沒有力作用在物體上，它們將保持直線運(yùn)動(dòng)。

愛因斯坦認(rèn)為，較小的物體不會(huì)被較大的物體拉動(dòng)，但是物體能被它們上方的空間往下推。

他還認(rèn)為，任何物體都能扭曲空間結(jié)構(gòu)和時(shí)間，這叫“空間時(shí)間”，空間中并不存在引力這種力。

時(shí)間與空間組成了四維時(shí)空結(jié)構(gòu)，這稱為“時(shí)空連續(xù)體”，是一個(gè)三維空間與時(shí)間維度的結(jié)合，物體質(zhì)量越大，對(duì)周圍空間的扭曲程度就越高。

愛因斯坦把蘋果掉落，行星繞恒星運(yùn)行等物體，在時(shí)空連續(xù)體中的曲線運(yùn)動(dòng)，稱為引力。

看這個(gè)抽象的時(shí)空網(wǎng)格，它正在為你可視化引力是如何工作的。正如它演示的那樣，地球的質(zhì)量扭曲了時(shí)空，并產(chǎn)生了一個(gè)引力井，這個(gè)引力井會(huì)將地球上的一切物體往下拉。

月球上也有相同的引力井扭曲時(shí)空，但是地球和月球之間的引力不夠大，無法把月球拉向我們，所以月球不會(huì)像蘋果那樣從高空掉落下來。

太陽也有一個(gè)巨大的引力井，能吸住太陽系的星體乖乖地留在里面，不會(huì)飛向更遠(yuǎn)的太空。

人類發(fā)射的航天器，在宇宙中不斷移動(dòng)位置，也能帶我們了解太陽系中，各星體的引力井是如何發(fā)揮作用的。

航天器發(fā)射時(shí)要靠很大的推力，來增加初速度，然后利用時(shí)空扭曲，或太陽系里的其他星體引力將自己拉進(jìn)太空，往另一個(gè)方向飛。

當(dāng)它接近其他星體時(shí)，便會(huì)受到其他引力的影響，移動(dòng)速度也隨之變快。

這就是宇宙中物體相互吸引導(dǎo)致的，時(shí)空是彎曲的，當(dāng)航天器離目標(biāo)物體越近，加速度也越快。這表示，航天器進(jìn)入了它的引力場(chǎng)。

不過請(qǐng)注意，引力場(chǎng)不是引力，而是物體引力輻射出去的范圍。

月球的引力場(chǎng)比地球小，因?yàn)樗馁|(zhì)量比地球輕。從萬有引力角度來看，物體質(zhì)量越大，引力也越強(qiáng)，引力場(chǎng)也相對(duì)較大。

太空中的引力場(chǎng)無處不在，它們就漂浮在我們頭頂，只是我們感覺不到其他行星，甚至地球軌道上的引力場(chǎng)。

不過，在近地球軌道運(yùn)行的空間站，能感受到地球的引力場(chǎng)，并且地球軌道上的有效引力與地面的引力差不了多少。

比如你在地球上重100斤，你到了空間站后，重量大約是90斤，并沒有減少的太離譜。

但是有個(gè)問題，既然地球附近的太空中有引力，為什么太空中的宇航員，看起來像在失重的狀態(tài)下漂浮呢？

其實(shí)不然，太空中的所有物體包括空間站，都會(huì)在真空的太空環(huán)境中同時(shí)墜落。這種人與物體的失重表現(xiàn)被稱為微重力，它是由太空殘余的大氣等因素造成的。

不管物體質(zhì)量是多少，只要以一樣的方式下落，遠(yuǎn)離引力源的宇航員，和在物體引力場(chǎng)中自由落體的宇航員，都會(huì)有相同的體驗(yàn)。

空間站飛在近地軌道，由于地球引力，它時(shí)時(shí)刻刻都在往下墜，需要的時(shí)候可以開啟動(dòng)力往高處變軌。

但要是燃料用完了，它就會(huì)以28000公里的時(shí)速俯沖向地球。

引力透鏡現(xiàn)象可證實(shí)時(shí)空扭曲論時(shí)空扭曲論是愛因斯坦相對(duì)論中的內(nèi)容之一，雖然有爭(zhēng)論，但我們也有方法能證明它的準(zhǔn)確性。

一切具有質(zhì)量的物體都能彎曲時(shí)空，而時(shí)空曲率就是引力。地球表面的重力加速度為9.81米每平方秒，重力會(huì)將人或物體拉向地面，但這不是地球的核心在起作用。

因?yàn)槲矬w距離過近，會(huì)產(chǎn)生一定的排斥力，如果你到了地心，就會(huì)遠(yuǎn)離時(shí)空曲率，此時(shí)各處的引力相等，你就會(huì)失重。當(dāng)你返回地表，時(shí)空曲率恢復(fù)后，又會(huì)再次感受到引力。

當(dāng)然，這個(gè)方法的實(shí)施必須有地心探測(cè)儀。不過我們還有其他方法證明，時(shí)空扭曲的存在，這就是引力透鏡效應(yīng)。

這也是愛因斯坦廣義相對(duì)論中，預(yù)言的一種現(xiàn)象。當(dāng)一個(gè)巨大的物體，引起足夠大的時(shí)空曲率時(shí)，經(jīng)過它周圍的光線，就會(huì)發(fā)生彎曲。

這是強(qiáng)引力場(chǎng)中一種特殊的光學(xué)效應(yīng)，類似于透鏡對(duì)光線的折射作用。像銀河系這樣大質(zhì)量的物體，就能將它周圍的空間扭曲成光環(huán)。

這種光環(huán)稱為愛因斯坦光環(huán)，引力透鏡幫助人們，在宇宙中找到了其他的星系和天體。

天文學(xué)家曾用哈勃望遠(yuǎn)鏡，拍到了11個(gè)愛因斯坦光環(huán)，其中有五個(gè)光環(huán)，排列成十字架形狀，被人們命名為愛因斯坦十字架，它們便是引力透鏡最好的論證。

看起來，愛因斯坦的理論，似乎已經(jīng)影響了所有關(guān)于引力的說法，并且不斷有證據(jù)支持他的廣義相對(duì)理論。

愛因斯坦環(huán)

但現(xiàn)在，他的理論似乎出現(xiàn)了一個(gè)大問題，這個(gè)問題是，廣義相對(duì)論與量子力學(xué)不相容。

量子引力屬于萬有引力理論范疇，它嘗試將廣義相對(duì)論與量子力學(xué)相結(jié)合來將重力場(chǎng)量子化，但目前它還沒有被現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，也沒有被普遍接受。

這兩種理論之間產(chǎn)生了終極矛盾，那就是黑洞奇點(diǎn)。

黑洞起源于廣義相對(duì)論，根據(jù)黑洞質(zhì)量能確定黑洞的邊界和奇點(diǎn)位置，但根據(jù)量子力學(xué)黑洞奇點(diǎn)卻根本不存在。

不過，相比之下，廣義相對(duì)論略勝一籌。科學(xué)家在夏威夷用斯巴魯望遠(yuǎn)鏡觀察宇宙，他們追蹤到一顆名為SO2的藍(lán)色恒星，最接近人馬座A。

人馬座A，是銀河系中央的一個(gè)很大的天體，它的其中一部分人馬座A星，是離我們最近的超大質(zhì)量黑洞。

SO2圍繞人馬座公轉(zhuǎn)的周期為16年，如果廣義相對(duì)論正確，黑洞便會(huì)耗盡SO2的能量，并拉長(zhǎng)它的光波，形成引力紅移效應(yīng)，將顆恒星的光從藍(lán)色變?yōu)榧t色。

人馬座A星

正如愛因斯坦預(yù)測(cè)的那樣，SO2開始發(fā)射紅光，證明廣義相對(duì)論是對(duì)的。

但它仍有一定的脆弱性，黑洞雖然是用廣義相對(duì)論推導(dǎo)出來的，但廣義相對(duì)論無法解釋黑洞內(nèi)部的引力，且愛因斯坦到去世前，都不相信黑洞存在。

目前，科學(xué)家正在尋找一種極端的時(shí)空曲率，他們相信不出十年，廣義相對(duì)論會(huì)被推算到極致，屆時(shí)也一定會(huì)再出現(xiàn)一個(gè)天才，告訴我們愛因斯坦的引力理論究竟有沒有問題。