愛因斯坦的引力究竟是什麼？

暑假來了，每年這個時候，書店裡都會有一陣科普閱讀潮，全國各大書城裡倚著書架看書的人多了起來，其中就有一部分讀者在捧讀科普書籍，科普圖書不但可以增長知識還有助於培養科學興趣，成人和小孩也因此都更加重視了起來。

今天小編要科普的是一個讓很多科學家都未曾想明白的力量，我們無時無刻不受這種力量的影響，卻讓科學家牛頓都陷入了迷茫，這種力量就是引力，你真的知道引力是什麼嗎？

《從大爆炸到大終結》

[英] | 本·吉利蘭 Ben Gilliland | 著

湖南科學技術出版社 2017年9月 出品

曾經的200 多年期間，伊薩克·牛頓的萬有引力定律享有絕對權威。按照牛頓的理論，引力在瞬間起作用。設想地球突然間變得更重了，那麼太陽系裡的其他每個天體都會在同一瞬間感受到這一變化。

但是，1906 年愛因斯坦發表了狹義相對論，指出沒有事物能傳播得比光速更快。牛頓關於引力傳遞的瞬時性違背了狹義相對論中普適的速度極限。

然後在1916 年愛因斯坦發表了廣義相對論，把牛頓的蘋果車翻了個底朝天。在牛頓看來，空間只是物理定律扮演角色的舞台，但是愛因斯坦展示了空間和時間都是舞台上的演員。質量造成空間彎曲而空間引發質量運動。

在牛頓看來，引力作用只能被有質量物體感知，但是愛因斯坦證明引力甚至能作用於像光子這種無質量物質。在牛頓的引力世界裡，光對引力作用無動於衷，但是光線會在大質量天體的引力拉動下「彎曲」。

愛因斯坦提出，引力並不是有質量物體感受到的固有的力，實際上只是有質量物體作用於宇宙組織的一種「副產品」。

每一個有質量物體都會使它所處的宇宙組織即時空變形：物體的質量越大，這種變形越厲害。這種效應常常可用一隻保齡球和一張橡皮床單作比喻，保齡球放在床單上會壓出一個凹陷。

任何質量較小的物體（譬如一顆彈子）會滾落到凹陷里去。這就是「引力勢阱」對小質量物體（譬如你和我）的作用，於是我們就感受到引力。

一個物體受多大的引力作用取決於它的質量和它的運動速度。對於光子來說，以光速傳播，當然時空的變形再大也只能讓它稍微偏折一點點。

但是對於質量大得多（運行也慢得多）的地球來說，變形大得足以阻止行星擺脫「凹陷」，地球被禁錮在一個橢圓形的軌道上運行，它還是想沿直線運行的，但被太陽的引力拴住了。

如果太陽突然消失，「凹陷」也將匿跡，幾分鐘之後（取決於太陽消失的「信息」以光速傳播何時到達），地球將沿直線飛馳而去。

引力的強度服從平方反比律，因為這是物體周圍時空曲率的性質。你離物體的引力中心越近，你掉落下去的引力勢阱就越深，那麼你感受的引力就越大（當然物體質量越大，時空變形越大，引力勢阱越深，引力也就越大）。

宇宙中引力最強大的天體是黑洞，構築的引力勢阱深不可測，即使光線也沒有足夠的勁頭擺脫它的羈伴（但是我們還無法試圖構建一個黑洞）。

如果這樣說你還不是很明白，那麼就看下面的圖吧。

首先建立你自己的時空想法：

·橡皮床單代表時空

·保齡球代表大質量天體（如恆星）

·彈子代表較小質量物體

1暫時把你想像中的保齡球擱置一邊，把一個想像中的彈子順著床單滾動起來。這顆彈子將沿著一條筆直的直線前行。

2現在撿起這個保齡球把它放上床單。這個球將使床單變形，形成一個凹陷。現在當你讓彈子繼續在床單上滾動時，它試圖還沿著直線前進，但是當它遇到這個凹陷時，將環繞保齡球轉動，好像被保齡球拖過去似的。在這種情況下，彈子代表一個光子，由於它不具有任何質量並以光速運行，事實上不可能掉落進凹穴里去。但是，由於光子在其中傳播的空間已經變形，它的路徑稍微偏轉了。

3如果你增加彈子的質量並使它慢一些，這樣它代表一顆行星，它將進一步掉進引力勢阱。如果彈子有足夠的動量，它將沿著這個凹陷的邊緣轉動，也就是環繞保齡球恆星公轉。如果它的動量太大，它將擺脫勢阱，向空間逃逸。如果它沒有足夠的動量，它將逕直掉落進勢阱，撞向恆星。

4現在我們去按壓這個保齡球，使它陷得更深，以模擬質量更大得多的天體。這時引力勢阱深得很了，即使光子也沒有足夠的動量能逃脫。萬事萬物都會掉進去，正像一個黑洞。這就是引力。一切具有質量的物體都能使時空扭曲（甚至你和我），一切運動中的事物都會遭受引力的影響，即使光線。保齡球並不直接吸引彈子（牛頓設想能吸引），而是改變彈子在其中運行的空間的形態。

以橡皮床單的類比描述廣義相對論是一種有用的方式，但是這局限於二維。實際上時空是四維結構（上下、左右、前後，當然還有時間）。以一個在各方向都受扭曲的三維立體去描述它更加確切。

現在你明白了引力究竟是怎麼一回事了嗎？困擾人們很久的引力謎題就這樣被愛因斯坦解開了，你是不是也驚呆了呢？想了解更多的科普知識，讓我們這個暑假一起閱讀起來吧。

本文來自科普圖書《從大爆炸到大終結》，英文原書獲讀者高度評價，這裡推薦給好奇的你們。該書作者是本·吉利蘭 （Ben Gilliland），他是一位獲獎不少的科學作家和插畫家。他於2005年開始為英國《地鐵報》的通俗宇宙科學專欄寫稿，為大眾講解科學知識，並因此赫赫有名。2013年他獲得了Arthur Clarke爵士太空成就獎。

圖文巧妙結合，通俗地解開宇宙是怎麼形成的

內部實拍1

內部實拍2

長按下面的二維碼，關注湖南科技出版社公眾號

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！