APP 愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，特別是狹義和廣義相對(duì)論，帶來(lái)了對(duì)時(shí)空和引力全新的理解。雖然這個(gè)理論看起來(lái)復(fù)雜晦澀，但其中的思想其實(shí)也充滿(mǎn)趣味。今天我們就一起來(lái)探索這段科學(xué)旅程，看看愛(ài)因斯坦是如何從慣性力和萬(wàn)有引力的關(guān)系中，最終揭開(kāi)了“彎曲時(shí)空”的奧秘。
在經(jīng)典物理學(xué)中，慣性系是基于“絕對(duì)空間”來(lái)定義的。牛頓認(rèn)為，宇宙中存在一個(gè)絕對(duì)空間，相對(duì)它靜止或者做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系才是慣性系。然而，愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論卻否定了這種絕對(duì)空間的概念，認(rèn)為不存在一個(gè)“絕對(duì)”的參照標(biāo)準(zhǔn)。于是，一個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)了：如果沒(méi)有絕對(duì)空間，慣性系還能定義嗎？科學(xué)家們想出了各種辦法，但最終發(fā)現(xiàn)，按狹義相對(duì)論的原則確實(shí)很難定義出慣性系。
在狹義相對(duì)論提出時(shí)，科學(xué)家只認(rèn)識(shí)兩種基本力：電磁力和萬(wàn)有引力。電磁力很容易和狹義相對(duì)論相適應(yīng)，但萬(wàn)有引力卻無(wú)法“融入”狹義相對(duì)論的框架中，這引起了愛(ài)因斯坦的思考。經(jīng)過(guò)反復(fù)推敲，他意識(shí)到：可能萬(wàn)有引力并不是一種普通的力，而是時(shí)空本身的某種特性。于是，愛(ài)因斯坦逐漸從中找到了新的靈感，進(jìn)一步去探索“彎曲時(shí)空”這個(gè)全新的概念。
旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)
為了更深入地理解慣性力和引力的關(guān)系，愛(ài)因斯坦設(shè)想了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤(pán)。在轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣繞上一圈尺子，隨著轉(zhuǎn)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)，這些尺子會(huì)因?yàn)樗俣认鄬?duì)變短。而在盤(pán)的中心，沿徑向擺放的尺子卻不會(huì)縮短。這導(dǎo)致了一種奇妙的現(xiàn)象：盤(pán)上的人會(huì)發(fā)現(xiàn)，自己繞轉(zhuǎn)的周長(zhǎng)變大了，而圓周率不再等于π！更有趣的是，盤(pán)邊緣的時(shí)鐘也因速度不同而“走慢”了。
愛(ài)因斯坦由此推測(cè)，這種“時(shí)間變慢”和“距離縮短”的現(xiàn)象，或許能用來(lái)解釋?xiě)T性力和萬(wàn)有引力的關(guān)系。而如果盤(pán)上的人無(wú)法看到外界，他會(huì)誤以為自己是因?yàn)橐环N“引力”而受到拉力——愛(ài)因斯坦稱(chēng)這種現(xiàn)象為“等效原理”，即慣性力與引力本質(zhì)上等效。
基于等效原理，愛(ài)因斯坦提出了一個(gè)驚人的觀點(diǎn)：引力并不是一種真正的力，而是時(shí)空的彎曲效應(yīng)！這個(gè)想法徹底顛覆了人們對(duì)引力的認(rèn)識(shí)——原來(lái)物體受到引力，是因?yàn)樗鼈冊(cè)趶澢臅r(shí)空中“滑動(dòng)”到了一起。換句話說(shuō)，太陽(yáng)的引力讓地球圍繞它轉(zhuǎn)動(dòng)，并不是因?yàn)椤拔Α?，而是因?yàn)樘?yáng)在其周?chē)臅r(shí)空中形成了一個(gè)“彎曲的槽”，而地球就沿著這個(gè)彎曲運(yùn)動(dòng)。
狹義與廣義相對(duì)論的分界線
很多人會(huì)問(wèn)，狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論究竟有什么本質(zhì)區(qū)別？一開(kāi)始，人們認(rèn)為它們的分界線在于是否采用慣性坐標(biāo)系，但科學(xué)家后來(lái)發(fā)現(xiàn)，這并不是關(guān)鍵。真正的分界線在于時(shí)空是否彎曲：狹義相對(duì)論適用于平直的時(shí)空，而廣義相對(duì)論則是研究彎曲時(shí)空中的物理現(xiàn)象。
例如，在旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)上，三維空間因圓周收縮而變得彎曲，但整體的四維時(shí)空卻依然平直，因此，這個(gè)“旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)”仍屬于狹義相對(duì)論的討論范圍。真正的廣義相對(duì)論則討論彎曲時(shí)空如何產(chǎn)生引力效應(yīng)。
通過(guò)等效原理和彎曲時(shí)空的概念，愛(ài)因斯坦為我們打開(kāi)了一個(gè)全新的宇宙視角。如今，廣義相對(duì)論不僅幫助我們理解引力的本質(zhì)，更成為現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。它讓我們明白，宇宙中所有的天體運(yùn)動(dòng)都不僅是物體間的相互作用，而是因時(shí)空本身的形狀而發(fā)生的優(yōu)美“舞蹈”。希望這段科學(xué)旅程帶給你一些新奇的思考，也歡迎大家一起繼續(xù)探索！
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作者：《趙崢教授解讀物理世界》今朝文化 科普創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)
審核：周曉亮 北京交通大學(xué)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師
