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爱因斯坦在床单上解释万有引力的本质

发布日期:
2017-06-06
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    虽然牛顿的万有引力定律给出了一个可行的规律来解释重力,但是他却没能解释重力产生的原因。直到爱因斯坦提出了广义相对论,人们才了解到,原来重力的产生是因为空间被弯曲了。

    在差不多100年前的1919年5月底,地点是在西非一座叫做普林西比岛的上面。下午3点多钟,天忽然暗了下来。并不是有云彩从天空中飞过,而一个更加巨大的东西挡住了太阳。那就是月球。没错,这是日食。

    当时所有的人都抬起头来看着这个天文奇观,可是却有一个人站在一个架子面前摆弄着什么。这个人是亚瑟·爱丁顿,一位有名的科学家,当时他正忙着给照相机更换感光片。也就是说,他在给日食拍照。

  爱丁顿是爱因斯坦相对论的拥护者,在相对论还没有被主流科学家所接受的时候,他就已经相信,并且主动传播相对论。有关他和相对论还有这样一个笑话。爱因斯坦发布广义相对论不久。就有记者采访爱丁顿说:“听说世界上只有3个人懂广义相对论,而且您就是其中一个。”爱丁顿沉思了很久都没有回答,记者还以为爱丁顿在谦虚,所以又补充问到:“您一定是懂广义相对论的,对吧?”没想到他却回答说:“是的,其实我正在想那第三个人是谁。”

    这段小故事的流传不是没有缘由的。这一次爱丁顿长途跋涉,从英国到非洲来观测日食,就是为了证明爱因斯坦的广义相对论。因为爱因斯坦指出一个有关引力的特别现象,而这些现象还没有办法用牛顿的万有引力定律来解释。这次日食就是证明爱因斯坦最好的时机。

    牛顿在解释万有引力到底是什么的时候,非常的偷懒。他说,这是物体所固有的,只要有一个物体有重量,那么它就有万有引力。在他总结出来的计算引力大小的公式中也可以看出来,两个物体相互吸引,只要它们的距离不变,其中任何一个物体的重量增加,吸引力都会增加。

    乍一看会觉得,这么讲没毛病啊。但是你仔细想想,如果这个物体没有重量会如何呢?就没有吸引力了吗?或许你会说啊,哪有没有重量的东西,就连空气都有重量,只不过是非常非常轻罢了。真的是这样吗?我说一个东西,你看看它有没有重量——那就是光线。光线有重量吗?

    光线没有重量。没有重量还会受到万有引力吸引吗?爱因斯坦说会的。爱丁顿观察日食,就是为了能够证明光线是会被太阳巨大的引力吸引而发生偏转。所以,这次观察的主角根本不是那个被挡住了光芒的太阳,而是太阳旁边的星星。

  本来星星的光芒会直直的照到地球上来,但是这次很不凑巧,光线经过了太阳的旁边。于是太阳光会吸着这个光线发生了偏转,从另外一个角度射向了地球。这个时候我们如果再去看这个星星的话,会发现它会比正常情况偏移了那么一点点。就像是把筷子插在水中,水下的光线发生了折射。

    不过要想看到这一点就太难了,因为旁边可是有太阳的。太阳强烈的光芒可以遮挡住任何的星星。所以,日食才会是绝佳的机会。只需要把日食发生时旁边的星空拍下来,然后再拿出来没有太阳时星空的照片进行对比。只要星星的位置发生了变化,那么就表明太阳的确会吸引星光,即使光线没有重量。结果,爱丁顿的观测证明了爱因斯坦是对的,星光偏移了。

    在这个问题上牛顿可就解释不了了,这就需要请出我们这个系列的主角——爱因斯坦。爱因斯坦为了给你解释清楚万有引力到底是如何产生的,他会在他床上放一个大铅球,然后还会告诉你,你看这就是太阳。这个铅球太阳很重,会把爱因斯坦的弹簧床压得凹陷下去。然后,他又会举起一颗蓝色的玻璃球,告诉你,这个就是我们的地球。紧接着就把我们的玻璃地球抛在了床上。这颗玻璃球就会开始绕着铅球转了起来。最后,玻璃球转几圈之后就会滚到铅球压下的大坑里面,和铅球碰撞一起。

  这一切做完之后,爱因斯坦还会让你去想象:现在啊,玻璃球与床单以及空气是有摩擦力的,所以会旋转地原来越慢,最后碰到了铅球。如果没有摩擦力会如何呢?玻璃球是不是会绕着铅球一直旋转下去呢?这是不是就非常像我们的地球绕着太阳不停地旋转啦。

    太阳在宇宙中也是会压出一个大坑的,只不过这个大坑不是在床上而是空间本身。其实不只是太阳,任何物体只要有重量,都会扭曲空间,使空间凹陷。而且还是越重的物体,扭曲空间越严重,凹陷地越深,这样其他物体就越是容易围绕着它旋转,甚至被它“吸”过去。而万有引力,本质上就是空间扭曲后给人们产生的错觉。

    总之,爱因斯坦解答了牛顿解答不了的问题。万有引力只是我们的错觉,本质上是有重量的物体把宇宙空间给扭曲了。这样子的话,就可以很好的解释光线为什么也会被太阳所扭转。光线虽然没有重量,但是会经过空间,既然空间都被扭曲了,那它是无论如何都逃不过去了,肯定是会被吸引扭曲的。

    这是太阳,重量还不够大,只是把空间这个床单压了一个凹槽。要是黑洞在宇宙空间中,它就会像是用一个极重极重球压在的床单上,直接把床压出一个窟窿来,通向未知的地方。这也是为什么光线被黑洞吸收之后再也跑不出来的原因,因为它会从这个窟窿里跑走,离开我们的宇宙空间。

    这就是爱因斯坦认为的万有引力的本质了。按照他的理论,的确可以解释为什么光线没有重量还是可以被太阳吸引。

    上面提到的牛顿的万有引力定律,没有办法预测光线偏转。这在历史上并不是真实的,这个地方是不严谨的。的确有更早科学家利用牛顿的理论计算了光线偏转角度,只不过这个角度和爱因斯坦预测的角度相比,少了一半还多。爱丁顿最后观察,其实是看哪个更符合实际情况。最后爱因斯坦获胜,当然这其中还涉及到爱丁顿学术造假的争论,这就是另外一个故事了。

    不过呢,当时用牛顿的理论计算光线的偏转,有个前提是错的,他们把光当做是有重量的小颗粒了。所以才可以用牛顿的万有引力定律去计算。而我们现在知道光子的静速度的确是0,直接用牛顿的理论的确是抓瞎。不过又涉及到另外一个问题,就是按照相对论的质能方程,光子是有运动质量的。能不能用光子的运动质量去套在牛顿的理论里面还是不清楚的。