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“说万物：当代物理学百年座谈”

八讲：广义相对论

8.1等旨趣：引力是幻觉吗？

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在狭义相对论中，信息的传播速率不行过光速。大可能会提议个问题：假如张三和赵四相距光年，两东说念主之间有个杆，张三握着杆的端，赵四握着杆的另端，那么是不是两东说念主不错通过拉这个杆去传递信息？ 

网上搜下，会发现这个问题被问了穷遍，而张三和赵四之间那亦然刀、枪、剑、戟、斧、钺、钩、叉、镗、棍、槊、棒、鞭、锏、锤、握、拐子、流星，十八般武器，样样皆被问到了。那么，这个问题是不是反对了相对论？

其实并不是，为什么？张三这个杆会发生什么面目？杆离张三近的这端，密度会变大。而密度变大的改造在杆上的传播速率是不会达到光速，不会过光速的。关于光年的杆，需要年以上的时辰，杆上的拉变化才能传到赵四。

不讲十八般兵刃的话，咱们还有样武器——拳头。张三挥挥拳头，赵四那儿会有什么影响？假如牛顿的万有引力定律是对的，那么张三挥挥拳头，在赵四那儿，引力的向以致大小坐窝就会产生点变化。为什么？张三的拳头有个质地，岂论这个质地有多大，总之是有个质地的。这个质地在赵四这边就会产生个引力。证据牛顿的万有引力公式，拳头的位置不同，马上就会在赵四那儿反应出引力的不同来。

天然这个变化黑白常之小的，然而关于赵四不错测得穷精准的瞎想情况贵阳罐体保温施工队，通过张三挥动拳头，赵四一刹就不错获取张三的信息了。这是不是反对相对论了？ 

淌若你计牛顿的万有引力公式是培植的，那么这还简直就反对狭义相对论。也即是说，狭义相对论和牛顿的万有引力公式是矛盾的。如何办？ 

因斯坦为这个问题困扰了很久。我小工夫读过个版块的《因斯坦传》。这个《因斯坦传》里有好多比拟狗的故事，其中个故事是：

因斯坦和居里夫东说念主去登阿尔卑斯山。他们到了山顶，这时因斯坦鸟瞰从山顶向下的缆车，忽然心里想象到了个图景：淌若缆车的线断了，缆车车厢忽然从半山腰就掉下来了，这样的话，会发生什么样的事情？有感而发，因斯坦马上拉住了居里夫东说念主的手，说：“我找到了，我终于找到了。”还没等居里夫东说念主惊呼出来，因斯坦就说：“我终于找到了引力的微妙

其后我又读了好多因斯坦的列传，况且查了好多列传里边干系的部分，其实并莫得这样狗的记录。但小工夫我就偏巧看到了这样本书，况且我其后采用去议论物理，可能好多亦然受了这本书的影响。天然了，受这本书的影响并不是说想去握哪个女科学的手，而是这本书里还有好多其他的狗故事。

然而论如何，陨落的缆车也好，陨落的电梯也好，因斯坦如实预想过这样个图景。当预想这个图景，他比欣忭，嗅觉找到了引力的奥密。那么，他找到的是什么呢？他预想的是，淌若个东说念主在缆车里解放着落的工夫，他能不行感受到引力？感受不到引力，也即是说，他处于失重的情景。天然，大表面上想想就行了，不要简直去解放着落，因为后你落到地上的工夫，终究是要嗅觉到冲量定理的。

解放着落的工夫，加快度的应和引力的应不错对消，因斯坦从这点启航，并跨越去想：1）个电梯放在地上不动，2）电梯在天地空间之中，周围莫得地球、莫得引力，然而电梯在向违犯的向加快，这两种情况亦然等价的。因为情况1是相称于引力被相同向的加快度给消掉了。 

换种想法，引力不错用违犯向的加快度的模拟出来。这个念念想早并不是因斯坦预想的，伽利略就也曾这样想过。传说，伽利略作念了个比萨斜塔施行，把个大铁球和个小铁球从比萨斜塔上扔下来（传说这段其实亦然编的，然而论如何，伽利略想过这个问题）。不仅如斯，伽利略还想过，淌若材料不同的话会如何样：淌若是个大铁球和个大铜球起扔下来，也应该同期落地。这即是等旨趣的雏形。 

咱们知说念，牛顿把伽利略的表面进行了数学化，牛顿二定律说：力和加快度之间的比值是质地。这个质地叫作念惯质地。咱们还有万有引力定律，当中力是和物体的质地成正比的，我的质地大点，我就受到的地球引力多点，这儿也出现了个质地，这个质地叫作念引力质地。咱们想想，在名义上看，惯质地和引力质地是不是看起来没什么关系？个是说我改造通晓情景的难易进程，这个是惯质地，另个是说我受到引力的大小和我的个质干系，这叫引力质地。他们俩之间看起来干系系吗？没干系系。

然而牛顿发现这两个量是相称的，大概至少来讲这两个量是成正比的，这个比例统统咱们不错给它调成是相称的。这件事情，牛顿我方就如故嗅觉到黑白常的不可念念议了。牛顿用各式种种的材料去作念施行，比如金、木、水、土，就差没用火；还用了银、盐、玻璃、羽毛等各式种种的东西作念了施行，发现惯质地等于引力质地的法例对这些东西皆是培植的。

有东说念主问，牛顿上哪儿找的这些奇奇怪怪的东西去作念施行呢？有东说念主说是因为牛顿在议论真金不怕火金术，他想把后边通盘的东西皆炼就金子。其后他失败了，莫得把这些东西真金不怕火成金子，然而至少证明了这些东西在定进程上和金子是等的——在惯质地等于引力质地的进程上，和金子是等的。

天然说因斯坦并莫得发明这个旨趣，然而他看到了等旨趣背后所蕴含的刻的物理真理。先，等旨趣告诉咱们，引力的果不错由个反向的加快度的果的模拟出来。有个所谓的奥卡姆剃刀旨趣，即是“如非要，勿增实体”，淌若说引力和加快是回事的话，咱们干嘛还要两个想法？大概说引力，当今严格来讲是均匀的引力，它和加快，咱们只需个就好了。哪个？加快这个想法体现了通晓时空的本、看起来比拟基本，咱们就要加快这个想法。 

这样的话，均匀的引力这个想法咱们不错废弃掉，大概说这个想法仅仅咱们的个幻觉辛苦。这就处罚了前面说的牛顿引力距作用这个问题。如何处罚的？你不是用引力反对我的相对论吗？当今连引力这个事儿皆莫得了，你还用什么来反对相对论？是以说，等旨趣是因斯坦去处罚牛顿引力和狭义相对论的矛盾的个紧缄口。 

天然了，这是个过于简化的文书，从这个紧缄口开动，还有好多好多的其他的事情，尤其是空间曲折的事情。这个咱们后边再讲。不外有了个紧缄口，因斯坦找到了不错神勇的向。等旨趣，天然它仅仅广义相对论走的步，铁皮保温施工是个紧缄口辛苦，然而有了等旨趣，坐窝咱们就不错通晓些面目。比如，光芒在均匀的引力场之中会偏折吗？ 

在牛顿引力的框架中，这个问题会比拟困惑。因为牛顿引力里，根底就莫得说牛顿引力对光是什么样的作用，而咱们知说念了狭义相对论以后，定进程上就知说念了，光是莫得质地的，牛顿说引力是作用于质地的，那么既然光是莫得质地的，是不是牛顿引力里，光芒不应该在引力场中偏折？大概严格的说，在牛顿引力里，光能不行在引力场里偏折，其实是个莫得很好界说的个想法。 

然而，咱们有了广义相对论的这步，等旨趣，咱们就不错知说念光是不是应该在引力场中偏折。咱们天然不知说念在有引力的工夫，光应不应该偏折，然而——，咱们知说念有引力的情况等价于有反向加快的情况；二，咱们知说念淌若有反向加快的话，那么电梯就在进取通晓。电梯开动的工夫莫得通晓的话，因为有加快度，电梯也迟缓的开动进取通晓。当电梯进取通晓的工夫，光相干于电梯是不是偏折了？淌若你不往外边看的话，那么是不是相称于你就发现了光是偏折的？也即是说咱们等回想，通过等旨趣就知说念光在引力场当中应该是偏折的。

这即是广义相对论的个预言。有了预言以后，大就需要去施行不雅测光在引力场中的偏折。在我的周围找个光，望望它偏折不偏折，这行不行？不行，因为我的质地太小了，光偏折的应不错忽略不计。

在咱们生计的周围，质地大的是什么东西呢？也即是说，光芒偏折应明的是什么东西？即是咱们的太阳。那么咱们就议论个星星经过太阳的工夫，它的星光从星星到太阳再到咱们，是不是会偏折呢？这就有了个问题，你议论星光经过太阳的工夫是不是偏折，然而你白昼有看见过星星吗？尤其是你白昼能在太阳隔壁找到星星吗？这是不可能的事情，太阳太亮了，对区分？如何办？咱们把太阳挡上就行了。如何把太阳挡上？即是日食。在日全食的工夫，咱们就有但愿去不雅测太阳隔壁的星星，其光芒传到咱们的历程中，如何被太阳所偏折。

因斯坦在197年基于等旨趣，通过均匀引力场的权衡，联想出偏折是.87角秒。1914年，有个物理学叫弗洛因德里希，他算去作念这个施行。他是个德国东说念主，咱们知说念日全食并不是通盘地球马上透顶日全食的，是在地球中某些区域才能看到日全食，如何办呢？这个德国东说念主就跑到俄罗斯的个小岛克里米亚去测量日全食。遵守日全食还没开动，次寰球大战先开动了，弗洛因德里希也被俄国握了起来。是以他就莫得测量到日全食，也莫得测量到光芒偏折的应。

到了1915年的工夫，因斯坦发现我方算错了。这并不是说他出了个简单的联想诞妄，而是他发现，其实用均匀的引力场来访佛太阳的引力场是不的，咱们还应该沟通空间曲折的应。

议论空间曲折的应之后，这个偏折角度变成了本来的二倍，从.87角秒变成了1.74角秒。1.74角秒的数值，在1919年被丁顿爵士在日全食不雅测中所考证。这件事情简直很神奇。因斯坦也很交运，淌若1914年弗洛因德里希发现了光芒的偏折不适因斯坦的预言，然后因斯坦再去修改他的表面的话，那时广义相对论看到光芒偏折就不再是个预言了，这是个所谓的postdiction，即是说事后诸葛亮。

知说念了光芒偏折，咱们有什么哄骗？这个哄骗即是，你们帮东说念主影的工夫，你不错得当的往后站站。因为光芒经过前面东说念主会偏折点，这个偏折会形成你看起来会比你应该有的点。天然了，的确凿是渺不足道的那么点点。淌若你不在乎的话，我不错暗暗的告诉你，其实站后边也不错脸小。

除了光芒偏折除外，在均匀的引力场中，咱们还有个应，即是：时辰的流失速率，在引力势低的地和引力势的地亦然不样的。具体点，比如说赵四站在点的地，而张三站在低点的地，然后赵四向张三辐射了束光，这束光从开动辐射到适度，它经验的时辰是Δt4。底下问题是：Δt4这段的光芒，当它到达张三的工夫，张三看到这束光经验的时辰Δt3应该是几许？在引力场里边如何回应这个问题？其实咱们不知说念如何回应，对吧？引力场太艰深了，咱们不知说念它的物理法例，然而等旨趣不错把这个问题等成莫得引力场但咱们处于个进取跑的电梯当中的情形。

进取加快的电梯当中，在加快的电梯里边，当速率等于的工夫，赵四向下辐射出这样的束光芒。那么到达张三的工夫，Δt4变成了张三那儿的Δt3是几许呢？咱们发当今赵四辐射光的工夫，电梯还莫得跑，对区分？然而有加快度了。当张三禁受到这束光的工夫，电梯如故有了个进取的速率。这个进取的速率阐明什么呢？即是说当张三禁受到这束光的工夫，是张三和光在相向而行。相向而行的话，是不是Δt3就比Δt4小了？也即是说，赵四的段时辰在张三看来变短了，这即是引力场中的时辰膨大减轻应。

个便记取这个应的法是，当你处的位置比拟的工夫，你就老得快。比如说，我楼上两层即是咱们院长，然后再楼表层即是校长，是以说，学校的管翻译成英文叫senior management。这个翻译当今开来如故有定的真理的。 

好，作念个小结。先，狭义相对论和牛顿的引力是有矛盾的，因为牛顿的引力告诉咱们引力是瞬时的，然而狭义相对论又告诉咱们，莫得瞬时的信息传递，信息的传递速率小于光速。这个问题如何处罚呢？等旨趣。等旨趣告诉咱们，至少关于均匀的引力场，咱们不错通过加快把引力的应消掉。既然引力连应皆莫得了，它就莫得方针拿出来反相对论。天然淌若你问不均匀的引力场的话，之后课程咱们会讲。然后，咱们讲了由等旨趣出来的两个应：个是“后排个”应，也即是光芒偏折，另个是“楼老的快”应，也即是时辰膨大。 

（包袱剪辑：杨玉露）

（版权阐明，转载自：墨子沙龙公众号）