不知道你親眼見(jiàn)過(guò)鯨魚(yú)沒(méi)有。我在海洋世界看過(guò)鯨魚(yú)的表演初茶。有的動(dòng)物可愛(ài)颗祝，有的動(dòng)物兇猛，而鯨魚(yú)給我的感覺(jué)跟別的動(dòng)物完全不一樣恼布。鯨魚(yú)的身體那么大吐葵，曲線(xiàn)那么美，姿態(tài)又是那么優(yōu)雅桥氏。鯨魚(yú)游來(lái)游去温峭，有時(shí)候還活潑地向觀眾拍打水花∽种В可是我坐在那里凤藏，感覺(jué)它們好像是比人類(lèi)更高級(jí)的存在奸忽，有如神明一般。
廣義相對(duì)論給我的感覺(jué)就是這樣揖庄。大栗菜，而且優(yōu)雅。
廣義相對(duì)論是一個(gè)美麗的理論蹄梢。
牛頓的引力公式過(guò)于直白疙筹，沒(méi)有內(nèi)涵。我們應(yīng)該慶幸自己生活在一個(gè)廣義相對(duì)論主導(dǎo)的宇宙里禁炒。廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)特別難而咆，思想?yún)s是簡(jiǎn)單的，只是非常深刻幕袱。想想它的來(lái)龍去脈暴备，它意味著什么，它能推演出什么東西们豌，其樂(lè)無(wú)窮涯捻。
咱們還是先來(lái)一點(diǎn)鋪墊。講狹義相對(duì)論的時(shí)候我們已經(jīng)看到望迎，愛(ài)因斯坦喜歡給你設(shè)定一兩條最簡(jiǎn)單的原理障癌，然后不管推導(dǎo)出來(lái)什么怪異的結(jié)論你都得接受。廣義相對(duì)論也是這樣辩尊。
.廣義·相對(duì)性原理
狹義相對(duì)論的緣起是一個(gè)危機(jī)涛浙。物理學(xué)家搞不清楚光速到底是相對(duì)于誰(shuí)的。一個(gè)問(wèn)題等了18年对省，等愛(ài)因斯坦長(zhǎng)大了蝗拿，才給解決。但是廣義相對(duì)論可不是這么來(lái)的蒿涎。廣義相對(duì)論哀托，是愛(ài)因斯坦自己提出來(lái)要干的事兒。
1905年劳秋，剛剛發(fā)表了狹義相對(duì)論仓手，愛(ài)因斯坦就已經(jīng)開(kāi)始思考廣義相對(duì)論掌挚，用了十年才最終完成享甸。那他想要的是什么呢？
我們知道狹義相對(duì)論的出發(fā)點(diǎn)是“相對(duì)性原理”：
一切勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或者靜止的坐標(biāo)系下知举，物理定律都是一樣的补履。
現(xiàn)在愛(ài)因斯坦想的就是添坊，為什么非得限制成“勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)”呢？為什么*加速*運(yùn)動(dòng)就不行呢箫锤？物理學(xué)中的速度不但有大小而且有方向贬蛙，所謂“加速運(yùn)動(dòng)”雨女，就包括了像圓周運(yùn)動(dòng)、拐彎阳准、變速等等各種運(yùn)動(dòng)氛堕。有了一個(gè)加速度，就可以描寫(xiě)所有“瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)”了野蝇。
所以愛(ài)因斯坦說(shuō)讼稚，我能不能把相對(duì)性原理再推廣一下，改成 ——在所有的坐標(biāo)系下绕沈，物理定律都是一樣的锐想。
這就叫“廣義的相對(duì)性原理”。這個(gè)思路很有哲學(xué)味道七冲，但是它蘊(yùn)含著顛覆性的新物理學(xué)痛倚。
當(dāng)時(shí)并沒(méi)有人給愛(ài)因斯坦提這個(gè)需求规婆，那時(shí)候別的物理學(xué)家都還在消化狹義相對(duì)論澜躺。
但是，我想你容易理解愛(ài)因斯坦這個(gè)思路抒蚜。這就好比說(shuō)我已經(jīng)統(tǒng)一了中國(guó)掘鄙，那我下一步是不是應(yīng)該征服全世界呢？其實(shí)嗡髓，當(dāng)時(shí)世界人民并沒(méi)有表現(xiàn)出想被你征服的強(qiáng)烈愿望操漠，是愛(ài)因斯坦自己非得這么干。
為此饿这，愛(ài)因斯坦必須弄清楚“引力”浊伙。
.加速和有引力
讓愛(ài)因斯坦取得突破的首先是這么一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。想象你站在一個(gè)像電梯一樣的長(zhǎng)方形的封閉飛船里长捧。在你腳下有個(gè)火箭嚣鄙，給你提供一個(gè)推力，讓你一直向上加速運(yùn)動(dòng)串结。
你可以想象這種運(yùn)動(dòng)跟勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)截然不同哑子。在勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)里你是自由的，但是加速運(yùn)動(dòng)里你會(huì)感到一個(gè)力肌割。我們坐車(chē)的時(shí)候都有過(guò)這種感覺(jué)卧蜓，車(chē)一加速，你會(huì)有一個(gè)推背感把敞。
那么愛(ài)因斯坦就問(wèn)弥奸，我在飛船上做加速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，感受到火箭的推力奋早，這種感覺(jué)盛霎，和我站在地面感受到地球的引力冒冬，有什么區(qū)別嗎？
地球引力給我們的感覺(jué)是實(shí)實(shí)在在的摩渺。你站立的時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)覺(jué)得累简烤，就算躺在床上，后背也會(huì)有一個(gè)壓力摇幻『嵴欤可是在飛船上也是這樣，加速會(huì)給你一個(gè)推力的感覺(jué)绰姻。
在地面枉侧，如果我讓一個(gè)小球自然下落，它在引力作用下會(huì)越落越快狂芋，加速?zèng)_向地面榨馁。可是我在火箭里也是這樣 —— 我放開(kāi)小球帜矾，小球就自由了翼虫，但是火箭在往上走，火箭的地板會(huì)加速?zèng)_向小球：在我看來(lái)屡萤，這完全等同于小球加速?zèng)_向地面珍剑。
一個(gè)是加速向上的火箭里，一個(gè)是站在地面靜止死陆。牛頓會(huì)認(rèn)為這完全是兩回事招拙，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不一樣，受力情況也不一樣措译，前者你只受到火箭的推力别凤，后者你同時(shí)受到地球的引力和地面的推力。
但是愛(ài)因斯坦說(shuō)领虹，我在飛船內(nèi)部做實(shí)驗(yàn)规哪，明明觀測(cè)不到任何區(qū)別。
.自由落體和沒(méi)有引力
我們?cè)倏匆粋€(gè)思想實(shí)驗(yàn)掠械。愛(ài)因斯坦想的原始版本是由缆，想象你在一個(gè)電梯里，電梯突然間失控猾蒂，以自由落體的形式往下墜落均唉，你想想那是一個(gè)什么感覺(jué)。
答案是你會(huì)感到“失重”肚菠。當(dāng)然電梯這個(gè)想象有點(diǎn)不吉利舔箭，咱們換一個(gè)對(duì)現(xiàn)代人來(lái)說(shuō)更直觀的場(chǎng)景。太空的空間站，繞著地球在做圓周運(yùn)動(dòng)层扶，其實(shí)跟墜落的電梯一樣箫章，都是自由落體。只不過(guò)空間站有個(gè)很高的水平速度镜会，它不會(huì)真的掉下來(lái)檬寂。
自由落體運(yùn)動(dòng)中的物體處在失重狀態(tài)。我們看宇航員就是失重的戳表，他們可以在空間站里漂浮桶至，他們不分上和下。他們?nèi)绻阉畏旁诳罩胸倚瘢尾坏粫?huì)下落镣屹，而且還呈現(xiàn)一個(gè)完美的球形。
這給了很多觀眾一個(gè)誤解价涝，以為是太空沒(méi)有引力女蜈。其實(shí)空間站的高度跟地球半徑相比不算什么，太空的引力并不比地面低多少色瘩。你在太空之所以感覺(jué)不到引力伪窖，是因?yàn)槟闶窃谧?b>自由落體運(yùn)動(dòng)！
宇航員繞著地球轉(zhuǎn)也好泞遗，電梯從高層掉落也好惰许，它們都是自由落體席覆，都會(huì)失重史辙，也都是“加速運(yùn)動(dòng)”。別忘了佩伤，速度不但有大小聊倔，而且有方向。圓周運(yùn)動(dòng)的速度大小可以不變生巡，但是方向一直在變耙蔑，它跟勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)有本質(zhì)的區(qū)別。所以孤荣，圓周運(yùn)動(dòng)也是一種加速運(yùn)動(dòng)甸陌。
好，那愛(ài)因斯坦問(wèn)盐股，這種運(yùn)動(dòng)中的失重感钱豁，跟我在一個(gè)遠(yuǎn)離一切星球、做一個(gè)完全不受外力影響的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)疯汁，有什么區(qū)別嗎牲尺？
牛頓會(huì)說(shuō)當(dāng)然有區(qū)別！前者是引力作用下的加速運(yùn)動(dòng)，后者是沒(méi)有外力時(shí)的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)谤碳！
但是愛(ài)因斯坦說(shuō)溃卡，我身處那樣的環(huán)境，不管做什么實(shí)驗(yàn)蜒简，都無(wú)法發(fā)現(xiàn)兩者的區(qū)別瘸羡。
這就很有意思了。之所以沒(méi)區(qū)別搓茬，這里邊蘊(yùn)含著一個(gè)你想不到最铁，但是在物理學(xué)家看來(lái)是極其怪異的事實(shí)。
.巧合
咱們先想想這個(gè)問(wèn)題：
為什么自由落體明明是個(gè)加速運(yùn)動(dòng)垮兑，可是愛(ài)因斯坦卻說(shuō)它跟勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)沒(méi)區(qū)別呢冷尉？因?yàn)樽杂陕潴w狀態(tài)下所有物體的加速度都是一樣的。
我們高中學(xué)過(guò)系枪，地球上任何一個(gè)物體雀哨，無(wú)論是蘋(píng)果，桌子私爷，還是一個(gè)胖子雾棺，他們?nèi)绻麖母呖盏粝聛?lái)，所有物體的加速度都是一樣的衬浑，你可能還記得那個(gè)數(shù)字捌浩，加速度都是9.8m/s2
只有這樣，當(dāng)你在空間站中把一個(gè)小球懸浮在空中的時(shí)候工秩，它才會(huì)一直停留在你身邊尸饺，它會(huì)跟著你一起動(dòng)。如果小球和你的加速度不一樣助币，你們兩個(gè)就會(huì)迅速分開(kāi)浪听，你就會(huì)覺(jué)察到現(xiàn)在不是勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)吧眉菱？
好迹栓，那為什么自由落體中所有物體的加速度都一樣呢？因?yàn)榈厍蛞?duì)所有物體一視同仁俭缓。
那為啥會(huì)一視同仁呢克伊？你以前學(xué)高中物理的時(shí)候是先默認(rèn)了一視同仁，現(xiàn)在我換個(gè)講法你就發(fā)現(xiàn)其中的問(wèn)題了华坦。
牛頓力學(xué)告訴我們愿吹，一個(gè)物體受到力，是導(dǎo)致它產(chǎn)生加速度的原因季春，力 = 質(zhì)量 × 加速度洗搂。受力帶來(lái)的加速度大小跟這個(gè)物體的質(zhì)量有關(guān)系，對(duì)吧？這個(gè)質(zhì)量耘拇，我們先稱(chēng)之為“慣性質(zhì)量”撵颊。
牛頓引力公式又告訴我們，每個(gè)物體感受到的地球引力的大小惫叛，也跟這個(gè)物體自身的質(zhì)量成正比倡勇，對(duì)吧？這里又有一個(gè)質(zhì)量嘉涌，這個(gè)質(zhì)量妻熊，我們先稱(chēng)之為“引力質(zhì)量”。
中學(xué)老師一上來(lái)就告訴你“質(zhì)量仑最、質(zhì)量” —— 可是你想過(guò)沒(méi)有扔役，這兩個(gè)地方出現(xiàn)的質(zhì)量，為什么是一樣的呢警医？換句話(huà)說(shuō)亿胸，為什么“慣性質(zhì)量”非得等于“引力質(zhì)量”呢？
這是一個(gè)完全合法的疑問(wèn)预皇。慣性質(zhì)量決定了力怎么給物體帶來(lái)加速度 —— 任何形式的力都可以侈玄，電磁力帶來(lái)加速度也是用這個(gè)質(zhì)量算，這里面跟“引力”并沒(méi)有天生的關(guān)系吟温。引力質(zhì)量?jī)H僅是引力的一個(gè)性質(zhì)序仙，決定了一個(gè)物體受到的引力大小，也就是“重量”鲁豪。
我們小時(shí)候總是默認(rèn)質(zhì)量就是重量潘悼，越重的東西就越不容易推動(dòng)，其實(shí)它們是兩回事呈昔。你想想挥等，比如這里有一個(gè)胖子，他的“重量”是個(gè)向下的東西堤尾；而你要推他容不容易推動(dòng)，那是一個(gè)水平方向上的故事迁客。加速度可以是任何力在任何方向的結(jié)果郭宝，引力可是只有一個(gè)方向，那這兩者為什么一樣呢掷漱？
說(shuō)到這里粘室，有一個(gè)相當(dāng)經(jīng)典的案例，就是傳說(shuō)中的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)卜范，伽利略證明了一輕一重兩個(gè)鐵球從高處落下來(lái)是同時(shí)著地 —— 也就是說(shuō)衔统，引力給它們的加速度完全一樣：
引力，很尊重小球的“慣性質(zhì)量”。
伽利略當(dāng)年論證為什么兩個(gè)鐵球必須同時(shí)著地锦爵，用了一個(gè)反證法舱殿。他說(shuō)如果是越重的物體落得越快，那我們可以把一個(gè)輕的鐵球和一個(gè)重的鐵球粘在一起 —— 一方面险掀，輕的鐵球應(yīng)該拖慢重的鐵球沪袭，現(xiàn)在的下落速度應(yīng)該比重的鐵球更慢一些；可是另一方面樟氢，現(xiàn)在你得到了一個(gè)更重的大鐵球啊冈绊，應(yīng)該下落更快才對(duì)啊埠啃？這個(gè)矛盾表明死宣，鐵球的下落速度應(yīng)該跟輕重?zé)o關(guān)。
伽利略這個(gè)論證其實(shí)站不住腳碴开。伽利略默認(rèn)了引力給加速度的時(shí)候*只看*重量 —— 或者說(shuō)十电，引力給重量的時(shí)候*只看*它們的加速性能√久可是引力憑什么這么干鹃骂？
慣性質(zhì)量正好等于引力質(zhì)量這件事，現(xiàn)代物理學(xué)家能給的最好解釋?zhuān)恰儗偾珊稀?/p>
物理學(xué)家在真空中精確測(cè)量過(guò)兩個(gè)鐵球是不是同時(shí)落地罢绽，在月球上都做過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)畏线，結(jié)果都是慣性質(zhì)量精確地等于引力質(zhì)量。我們不知道為什么這個(gè)世界是這樣的良价，但是它就是這樣的寝殴。
你馬上就能想到，這跟“光速不變”好像很像：
你再想不通明垢，也得接受蚣常。
.愛(ài)因斯坦的斷言
廣義相對(duì)論的出發(fā)點(diǎn)，是愛(ài)因斯坦的一個(gè)斷言 ——
在任何局部實(shí)驗(yàn)中痊银，引力和加速運(yùn)動(dòng)無(wú)法區(qū)分抵蚊。
這句話(huà)叫做“等效原理”，它等于就是說(shuō)“慣性質(zhì)量 = 引力質(zhì)量”溯革。愛(ài)因斯坦說(shuō)別問(wèn)為什么了贞绳，這個(gè)世界就是這樣的。
在一個(gè)封閉的房間里致稀，你說(shuō)你正在地面待著享受引力冈闭，我可以說(shuō)你其實(shí)是在一個(gè)加速運(yùn)動(dòng)的火箭里。你說(shuō)你正在引力的作用下享受自由落體抖单，我可以說(shuō)你其實(shí)是處在一個(gè)不受任何引力影響的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中萎攒。
愛(ài)因斯坦說(shuō)遇八，只要這個(gè)房間的尺度不是超級(jí)大，你說(shuō)的和我說(shuō)的就沒(méi)區(qū)別耍休。
那我們?cè)傧胂肴杏溃Φ降资莻€(gè)什么東西。站在地面上羹应，你能切切實(shí)實(shí)感到引力的存在揽碘。可是只要你隨便做個(gè)自由落體運(yùn)動(dòng)园匹，引力對(duì)你就不存在雳刺。
一個(gè)東西如果是真實(shí)的存在，它怎么可能在靜止坐標(biāo)系下看就有裸违，在一個(gè)加速坐標(biāo)系下看就沒(méi)有了呢掖桦？愛(ài)因斯坦的新要求可是物理定律不管在什么坐標(biāo)系下都一樣。
我們的結(jié)論就只能是供汛，引力這個(gè)東西枪汪，其實(shí)是個(gè)幻覺(jué)。
……或者說(shuō)的嚴(yán)格一點(diǎn)怔昨。在局部雀久，引力根本就不存在。在大尺度范圍趁舀，引力根本就不是力……正如鯨魚(yú)不是魚(yú)赖捌。
那引力到底是什么呢？只有愛(ài)因斯坦能提出這樣的問(wèn)題矮烹，也只有愛(ài)因斯坦能回答這個(gè)問(wèn)題
未完待續(xù)
