愛因斯坦在床單上解釋萬有引力的本質

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雖然牛頓的萬有引力定律給出了一個可行的規律來解釋重力，但是他卻沒能解釋重力產生的原因。直到愛因斯坦提出了廣義相對論，人們才了解到，原來重力的產生是因為空間被彎曲了。

在差不多100年前的1919年5月底，地點是在西非一座叫做普林西比島的上面。下午3點多鐘，天忽然暗了下來。並不是有雲彩從天空中飛過，而一個更加巨大的東西擋住了太陽。那就是月球。沒錯，這是日食。

當時所有的人都抬起頭來看著這個天文奇觀，可是卻有一個人站在一個架子面前擺弄著什麼。這個人是亞瑟·愛丁頓，一位有名的科學家，當時他正忙著給照相機更換感光片。也就是說，他在給日食拍照。

愛丁頓是愛因斯坦相對論的擁護者，在相對論還沒有被主流科學家所接受的時候，他就已經相信，並且主動傳播相對論。有關他和相對論還有這樣一個笑話。愛因斯坦發布廣義相對論不久。就有記者採訪愛丁頓說：「聽說世界上只有3個人懂廣義相對論，而且您就是其中一個。」愛丁頓沉思了很久都沒有回答，記者還以為愛丁頓在謙虛，所以又補充問到：「您一定是懂廣義相對論的，對吧？」沒想到他卻回答說：「是的，其實我正在想那第三個人是誰。」

這段小故事的流傳不是沒有緣由的。這一次愛丁頓長途跋涉，從英國到非洲來觀測日食，就是為了證明愛因斯坦的廣義相對論。因為愛因斯坦指出一個有關引力的特別現象，而這些現象還沒有辦法用牛頓的萬有引力定律來解釋。這次日食就是證明愛因斯坦最好的時機。

牛頓在解釋萬有引力到底是什麼的時候，非常的偷懶。他說，這是物體所固有的，只要有一個物體有重量，那麼它就有萬有引力。在他總結出來的計算引力大小的公式中也可以看出來，兩個物體相互吸引，只要它們的距離不變，其中任何一個物體的重量增加，吸引力都會增加。

乍一看會覺得，這麼講沒毛病啊。但是你仔細想想，如果這個物體沒有重量會如何呢？就沒有吸引力了嗎？或許你會說啊，哪有沒有重量的東西，就連空氣都有重量，只不過是非常非常輕罷了。真的是這樣嗎？我說一個東西，你看看它有沒有重量——那就是光線。光線有重量嗎？

光線沒有重量。沒有重量還會受到萬有引力吸引嗎？愛因斯坦說會的。愛丁頓觀察日食，就是為了能夠證明光線是會被太陽巨大的引力吸引而發生偏轉。所以，這次觀察的主角根本不是那個被擋住了光芒的太陽，而是太陽旁邊的星星。

本來星星的光芒會直直的照到地球上來，但是這次很不湊巧，光線經過了太陽的旁邊。於是太陽光會吸著這個光線發生了偏轉，從另外一個角度射向了地球。這個時候我們如果再去看這個星星的話，會發現它會比正常情況偏移了那麼一點點。就像是把筷子插在水中，水下的光線發生了折射。

不過要想看到這一點就太難了，因為旁邊可是有太陽的。太陽強烈的光芒可以遮擋住任何的星星。所以，日食才會是絕佳的機會。只需要把日食發生時旁邊的星空拍下來，然後再拿出來沒有太陽時星空的照片進行對比。只要星星的位置發生了變化，那麼就表明太陽的確會吸引星光，即使光線沒有重量。結果，愛丁頓的觀測證明了愛因斯坦是對的，星光偏移了。

在這個問題上牛頓可就解釋不了了，這就需要請出我們這個系列的主角——愛因斯坦。愛因斯坦為了給你解釋清楚萬有引力到底是如何產生的，他會在他床上放一個大鉛球，然後還會告訴你，你看這就是太陽。這個鉛球太陽很重，會把愛因斯坦的彈簧床壓得凹陷下去。然後，他又會舉起一顆藍色的玻璃球，告訴你，這個就是我們的地球。緊接著就把我們的玻璃地球拋在了床上。這顆玻璃球就會開始繞著鉛球轉了起來。最後，玻璃球轉幾圈之後就會滾到鉛球壓下的大坑裡面，和鉛球碰撞一起。

這一切做完之後，愛因斯坦還會讓你去想像：現在啊，玻璃球與床單以及空氣是有摩擦力的，所以會旋轉地原來越慢，最後碰到了鉛球。如果沒有摩擦力會如何呢？玻璃球是不是會繞著鉛球一直旋轉下去呢？這是不是就非常像我們的地球繞著太陽不停地旋轉啦。

太陽在宇宙中也是會壓出一個大坑的，只不過這個大坑不是在床上而是空間本身。其實不只是太陽，任何物體只要有重量，都會扭曲空間，使空間凹陷。而且還是越重的物體，扭曲空間越嚴重，凹陷地越深，這樣其他物體就越是容易圍繞著它旋轉，甚至被它「吸」過去。而萬有引力，本質上就是空間扭曲後給人們產生的錯覺。

下面有張圖，就是太陽扭曲了空間，地球圍繞它旋轉的示意圖。我在最後還準備了一個視頻，是一位老師給他的學生演示愛因斯坦在床上做的實驗。大家可以看一下。

總之，愛因斯坦解答了牛頓解答不了的問題。萬有引力只是我們的錯覺，本質上是有重量的物體把宇宙空間給扭曲了。這樣子的話，就可以很好的解釋光線為什麼也會被太陽所扭轉。光線雖然沒有重量，但是會經過空間，既然空間都被扭曲了，那它是無論如何都逃不過去了，肯定是會被吸引扭曲的。

這是太陽，重量還不夠大，只是把空間這個床單壓了一個凹槽。要是黑洞在宇宙空間中，它就會像是用一個極重極重球壓在的床單上，直接把床壓出一個窟窿來，通向未知的地方。這也是為什麼光線被黑洞吸收之後再也跑不出來的原因，因為它會從這個窟窿里跑走，離開我們的宇宙空間。

這就是愛因斯坦認為的萬有引力的本質了。按照他的理論，的確可以解釋為什麼光線沒有重量還是可以被太陽吸引。

最後是那個床單實驗的視頻，大家可以來看一下。

上面提到的牛頓的萬有引力定律，沒有辦法預測光線偏轉。這在歷史上並不是真實的，這個地方是不嚴謹的。的確有更早科學家利用牛頓的理論計算了光線偏轉角度，只不過這個角度和愛因斯坦預測的角度相比，少了一半還多。愛丁頓最後觀察，其實是看哪個更符合實際情況。最後愛因斯坦獲勝，當然這其中還涉及到愛丁頓學術造假的爭論，這就是另外一個故事了。

不過呢，當時用牛頓的理論計算光線的偏轉，有個前提是錯的，他們把光當做是有重量的小顆粒了。所以才可以用牛頓的萬有引力定律去計算。而我們現在知道光子的靜速度的確是0，直接用牛頓的理論的確是抓瞎。不過又涉及到另外一個問題，就是按照相對論的質能方程，光子是有運動質量的。能不能用光子的運動質量去套在牛頓的理論裡面還是不清楚的。

來源：王木頭講科學

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