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。有的動(dòng)物可愛(ài)，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。鯨魚(yú)的身體那么大，曲線那么美，姿態(tài)又是那么優(yōu)雅。鯨魚(yú)游來(lái)游去，有時(shí)候還活潑地向觀眾拍打水花?？墒俏易谀抢铮杏X(jué)它們好像是比人類更高級(jí)的存在，有如神明一般。

廣義相對(duì)論給我的感覺(jué)就是這樣。大，而且優(yōu)雅。

廣義相對(duì)論是一個(gè)美麗的理論。

牛頓的引力公式過(guò)于直白，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。廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)特別難，思想?yún)s是簡(jiǎn)單的，只是非常深刻。想想它的來(lái)龍去脈，它意味著什么，它能推演出什么東西，其樂(lè)無(wú)窮。

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，愛(ài)因斯坦喜歡給你設(shè)定一兩條最簡(jiǎn)單的原理，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。

.廣義·相對(duì)性原理

狹義相對(duì)論的緣起是一個(gè)危機(jī)。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，等愛(ài)因斯坦長(zhǎng)大了，才給解決。但是廣義相對(duì)論可不是這么來(lái)的。廣義相對(duì)論，是愛(ài)因斯坦自己提出來(lái)要干的事兒。

1905年，剛剛發(fā)表了狹義相對(duì)論，愛(ài)因斯坦就已經(jīng)開(kāi)始思考廣義相對(duì)論，用了十年才最終完成。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”：

一切勻速直線運(yùn)動(dòng)或者靜止的坐標(biāo)系下，物理定律都是一樣的。

現(xiàn)在愛(ài)因斯坦想的就是，為什么非得限制成“勻速直線運(yùn)動(dòng)”呢？為什么*加速*運(yùn)動(dòng)就不行呢？物理學(xué)中的速度不但有大小而且有方向，所謂“加速運(yùn)動(dòng)”，就包括了像圓周運(yùn)動(dòng)、拐彎、變速等等各種運(yùn)動(dòng)。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。

所以愛(ài)因斯坦說(shuō)，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，物理定律都是一樣的。

這就叫“廣義的相對(duì)性原理”。這個(gè)思路很有哲學(xué)味道，但是它蘊(yùn)含著顛覆性的新物理學(xué)。

當(dāng)時(shí)并沒(méi)有人給愛(ài)因斯坦提這個(gè)需求，那時(shí)候別的物理學(xué)家都還在消化狹義相對(duì)論。

但是，我想你容易理解愛(ài)因斯坦這個(gè)思路。這就好比說(shuō)我已經(jīng)統(tǒng)一了中國(guó)，那我下一步是不是應(yīng)該征服全世界呢？其實(shí)，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，是愛(ài)因斯坦自己非得這么干。

為此，愛(ài)因斯坦必須弄清楚“引力”。

.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。在你腳下有個(gè)火箭，給你提供一個(gè)推力，讓你一直向上加速運(yùn)動(dòng)。

你可以想象這種運(yùn)動(dòng)跟勻速直線運(yùn)動(dòng)截然不同。在勻速直線運(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。我們坐車的時(shí)候都有過(guò)這種感覺(jué)，車一加速，你會(huì)有一個(gè)推背感。

那么愛(ài)因斯坦就問(wèn)，我在飛船上做加速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，感受到火箭的推力，這種感覺(jué)，和我站在地面感受到地球的引力，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。你站立的時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)覺(jué)得累，就算躺在床上，后背也會(huì)有一個(gè)壓力?？墒窃陲w船上也是這樣，加速會(huì)給你一個(gè)推力的感覺(jué)。

在地面，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，加速?zèng)_向地面。可是我在火箭里也是這樣 —— 我放開(kāi)小球，小球就自由了，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)，這完全等同于小球加速?zèng)_向地面。

一個(gè)是加速向上的火箭里，一個(gè)是站在地面靜止。牛頓會(huì)認(rèn)為這完全是兩回事，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不一樣，受力情況也不一樣，前者你只受到火箭的推力，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)，我在飛船內(nèi)部做實(shí)驗(yàn)，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)。愛(ài)因斯坦想的原始版本是，想象你在一個(gè)電梯里，電梯突然間失控，以自由落體的形式往下墜落，你想想那是一個(gè)什么感覺(jué)。

答案是你會(huì)感到“失重”。當(dāng)然電梯這個(gè)想象有點(diǎn)不吉利，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)，其實(shí)跟墜落的電梯一樣，都是自由落體。只不過(guò)空間站有個(gè)很高的水平速度，它不會(huì)真的掉下來(lái)。

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，他們可以在空間站里漂浮，他們不分上和下。他們?nèi)绻阉畏旁诳罩?，水滴不但不?huì)下落，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，以為是太空沒(méi)有引力。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。你在太空之所以感覺(jué)不到引力，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，電梯從高層掉落也好，它們都是自由落體，都會(huì)失重，也都是“加速運(yùn)動(dòng)”。別忘了，速度不但有大小，而且有方向。圓周運(yùn)動(dòng)的速度大小可以不變，但是方向一直在變，它跟勻速直線運(yùn)動(dòng)有本質(zhì)的區(qū)別。所以，圓周運(yùn)動(dòng)也是一種加速運(yùn)動(dòng)。

好，那愛(ài)因斯坦問(wèn)，這種運(yùn)動(dòng)中的失重感，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運(yùn)動(dòng)，有什么區(qū)別嗎？

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)的勻速直線運(yùn)動(dòng)！

但是愛(ài)因斯坦說(shuō)，我身處那樣的環(huán)境，不管做什么實(shí)驗(yàn)，都無(wú)法發(fā)現(xiàn)兩者的區(qū)別。

這就很有意思了。之所以沒(méi)區(qū)別，這里邊蘊(yùn)含著一個(gè)你想不到，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)，可是愛(ài)因斯坦卻說(shuō)它跟勻速直線運(yùn)動(dòng)沒(méi)區(qū)別呢？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)，地球上任何一個(gè)物體，無(wú)論是蘋(píng)果，桌子，還是一個(gè)胖子，他們?nèi)绻麖母呖盏粝聛?lái)，所有物體的加速度都是一樣的，你可能還記得那個(gè)數(shù)字，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，它才會(huì)一直停留在你身邊，它會(huì)跟著你一起動(dòng)。如果小球和你的加速度不一樣，你們兩個(gè)就會(huì)迅速分開(kāi)，你就會(huì)覺(jué)察到現(xiàn)在不是勻速直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)吧？

好，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。

那為啥會(huì)一視同仁呢？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。

牛頓力學(xué)告訴我們，一個(gè)物體受到力，是導(dǎo)致它產(chǎn)生加速度的原因，力 = 質(zhì)量 × 加速度。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，我們先稱之為“慣性質(zhì)量”。

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，也跟這個(gè)物體自身的質(zhì)量成正比，對(duì)吧？這里又有一個(gè)質(zhì)量，這個(gè)質(zhì)量，我們先稱之為“引力質(zhì)量”。

中學(xué)老師一上來(lái)就告訴你“質(zhì)量、質(zhì)量” —— 可是你想過(guò)沒(méi)有，這兩個(gè)地方出現(xiàn)的質(zhì)量，為什么是一樣的呢？換句話說(shuō)，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)。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，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。引力質(zhì)量?jī)H僅是引力的一個(gè)性質(zhì)，決定了一個(gè)物體受到的引力大小，也就是“重量”。

我們小時(shí)候總是默認(rèn)質(zhì)量就是重量，越重的東西就越不容易推動(dòng)，其實(shí)它們是兩回事。你想想，比如這里有一個(gè)胖子，他的“重量”是個(gè)向下的東西；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。加速度可以是任何力在任何方向的結(jié)果，引力可是只有一個(gè)方向，那這兩者為什么一樣呢？

說(shuō)到這里，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)，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)，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，用了一個(gè)反證法。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，輕的鐵球應(yīng)該拖慢重的鐵球，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，現(xiàn)在你得到了一個(gè)更重的大鐵球啊，應(yīng)該下落更快才對(duì)啊？這個(gè)矛盾表明，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。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)，引力給重量的時(shí)候*只看*它們的加速性能。可是引力憑什么這么干？

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，是……純屬巧合。

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，在月球上都做過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，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，但是它就是這樣的。

你馬上就能想到，這跟“光速不變”好像很像：

你再想不通，也得接受。

.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，引力和加速運(yùn)動(dòng)無(wú)法區(qū)分。

這句話叫做“等效原理”，它等于就是說(shuō)“慣性質(zhì)量 = 引力質(zhì)量”。愛(ài)因斯坦說(shuō)別問(wèn)為什么了，這個(gè)世界就是這樣的。

在一個(gè)封閉的房間里，你說(shuō)你正在地面待著享受引力，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，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運(yùn)動(dòng)中。

愛(ài)因斯坦說(shuō)，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。

那我們?cè)傧胂?，引力到底是個(gè)什么東西。站在地面上，你能切切實(shí)實(shí)感到引力的存在?？墒侵灰汶S便做個(gè)自由落體運(yùn)動(dòng)，引力對(duì)你就不存在。

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，在一個(gè)加速坐標(biāo)系下看就沒(méi)有了呢？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，引力這個(gè)東西，其實(shí)是個(gè)幻覺(jué)。

……或者說(shuō)的嚴(yán)格一點(diǎn)。在局部，引力根本就不存在。在大尺度范圍，引力根本就不是力……正如鯨魚(yú)不是魚(yú)。

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，也只有愛(ài)因斯坦能回答這個(gè)問(wèn)題

未完待續(xù)