來源頭條作者:全面剖析

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我們通常認為，地球的引力是可以用秤來稱重的，比如你踩上一個秤，顯示出來的體重，就代表地球對你的引力有多少。

宇宙中也有引力，太陽系中的行星，能規矩地按照軌道行進，就是因為太陽的引力。

此外，擁有強大引力的還有黑洞，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論，卻對引力有不同的解釋，他認為引力根本不是力，而是另一種復雜的宇宙現象。

本期內容就來剖析一下，廣義相對論是如何定義引力的？以及它在宇宙的研究上究竟有多準確？

每個人都聽過牛頓發現萬有引力的故事，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，為什么蘋果會垂直掉到地上，而不是向著其他方向運動。

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

這種牽引讓物體運動的路徑最短，同時能最大程度地減少能耗。他還認為，蘋果掉落是重力讓它向地面加速運動。

牛頓最初認為引力只是種推力，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人認可他的萬有引力定律，并且毫不動搖地相信了近400年。

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

當時，人們嘲笑愛因斯坦居然敢挑戰牛頓，認為他的觀點太過激進，不可信。廣義相對論中一個關鍵點是，引力場中所有的物體，都以同樣的速度下落。

幸好，愛因斯坦不是一個人在戰斗。這點是伽利略先得出的，他發現在沒有大氣阻力的情況下，同一高度，不同質量和形態的物體自由落體，會同時落地，這叫等效原理。

1971年阿波羅15號的宇航員，也在月球上做了跟伽利略一樣的實驗，他同時放開一片羽毛和一把鐵錘，質量相差如此之大的兩個物體，竟然同時落地。

這個理論表示，引力加速度與物體的組成無關。

根據愛因斯坦的理論，引力不是物體之間的力量，而是有質量的物體發生了空間和時間的扭曲，如果沒有力作用在物體上，它們將保持直線運動。

愛因斯坦認為，較小的物體不會被較大的物體拉動，但是物體能被它們上方的空間往下推。

他還認為，任何物體都能扭曲空間結構和時間，這叫“空間時間”，空間中并不存在引力這種力。

時間與空間組成了四維時空結構，這稱為“時空連續體”，是一個三維空間與時間維度的結合，物體質量越大，對周圍空間的扭曲程度就越高。

愛因斯坦把蘋果掉落，行星繞恒星運行等物體，在時空連續體中的曲線運動，稱為引力。

看這個抽象的時空網格，它正在為你可視化引力是如何工作的。正如它演示的那樣，地球的質量扭曲了時空，并產生了一個引力井，這個引力井會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，所以月球不會像蘋果那樣從高空掉落下來。

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

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

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

當它接近其他星體時，便會受到其他引力的影響，移動速度也隨之變快。

這就是宇宙中物體相互吸引導致的，時空是彎曲的，當航天器離目標物體越近，加速度也越快。這表示，航天器進入了它的引力場。

不過請注意，引力場不是引力，而是物體引力輻射出去的范圍。

月球的引力場比地球小，因為它的質量比地球輕。從萬有引力角度來看，物體質量越大，引力也越強，引力場也相對較大。

太空中的引力場無處不在，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。

不過，在近地球軌道運行的空間站，能感受到地球的引力場，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下漂浮呢？

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

不管物體質量是多少，只要以一樣的方式下落，遠離引力源的宇航員，和在物體引力場中自由落體的宇航員，都會有相同的體驗。

空間站飛在近地軌道，由于地球引力，它時時刻刻都在往下墜，需要的時候可以開啟動力往高處變軌。

但要是燃料用完了，它就會以28000公里的時速俯沖向地球。

引力透鏡現象可證實時空扭曲論時空扭曲論是愛因斯坦相對論中的內容之一，雖然有爭論，但我們也有方法能證明它的準確性。

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

因為物體距離過近，會產生一定的排斥力，如果你到了地心，就會遠離時空曲率，此時各處的引力相等，你就會失重。當你返回地表，時空曲率恢復后，又會再次感受到引力。

當然，這個方法的實施必須有地心探測儀。不過我們還有其他方法證明，時空扭曲的存在，這就是引力透鏡效應。

這也是愛因斯坦廣義相對論中，預言的一種現象。當一個巨大的物體，引起足夠大的時空曲率時，經過它周圍的光線，就會發生彎曲。

這是強引力場中一種特殊的光學效應，類似于透鏡對光線的折射作用。像銀河系這樣大質量的物體，就能將它周圍的空間扭曲成光環。

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

天文學家曾用哈勃望遠鏡，拍到了11個愛因斯坦光環，其中有五個光環，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，似乎已經影響了所有關于引力的說法，并且不斷有證據支持他的廣義相對理論。

愛因斯坦環

但現在，他的理論似乎出現了一個大問題，這個問題是，廣義相對論與量子力學不相容。

量子引力屬于萬有引力理論范疇，它嘗試將廣義相對論與量子力學相結合來將重力場量子化，但目前它還沒有被現有的經驗證實，也沒有被普遍接受。

這兩種理論之間產生了終極矛盾，那就是黑洞奇點。

黑洞起源于廣義相對論，根據黑洞質量能確定黑洞的邊界和奇點位置，但根據量子力學黑洞奇點卻根本不存在。

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

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

SO2圍繞人馬座公轉的周期為16年，如果廣義相對論正確，黑洞便會耗盡SO2的能量，并拉長它的光波，形成引力紅移效應，將顆恒星的光從藍色變為紅色。

人馬座A星

正如愛因斯坦預測的那樣，SO2開始發射紅光，證明廣義相對論是對的。

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

目前，科學家正在尋找一種極端的時空曲率，他們相信不出十年，廣義相對論會被推算到極致，屆時也一定會再出現一個天才，告訴我們愛因斯坦的引力理論究竟有沒有問題。