我們都知道牛頓引力統(tǒng)攝宇宙兩百多年，最后在水星問(wèn)題上栽了跟頭，愛(ài)因斯坦的橫空出世，讓昔日光彩奪目的牛頓理論不再輝煌，今天我們就說(shuō)下牛頓的理論和愛(ài)因斯坦的理論哪里不兼容？也就是說(shuō)它們的區(qū)別到底在哪？

敢問(wèn)敢想，牛頓引力都出現(xiàn)了那些問(wèn)題

牛頓的引力定律十分簡(jiǎn)明、直觀(guān)：假如你有任意兩個(gè)物體，并將它們?nèi)我夥旁谟钪嬷械膬蓚€(gè)位置，它們之間就會(huì)有相互的引力作用，其大小相等，方向相反。如果已知物體的位置和質(zhì)量數(shù)據(jù)，只要將其代入這個(gè)定律的公式，就能算出物體受到的引力有多大。這個(gè)關(guān)于自然規(guī)律的定律既清晰又深邃，既適用于地球表面的一切事物，也適用于恒星、行星、衛(wèi)星、彗星等天體世界，其能力令人驚嘆。

但是，無(wú)論牛頓定律的推算結(jié)果多少次獲得了觀(guān)測(cè)者們的認(rèn)同，在關(guān)于水星軌道進(jìn)動(dòng)的問(wèn)題上，它卻始終表現(xiàn)得很乏力。當(dāng)然，誰(shuí)也不愿意輕易斷言牛頓定律錯(cuò)了。

從17世紀(jì)牛頓提出這個(gè)定律起，幾百年來(lái)，從鐘擺的往復(fù)運(yùn)動(dòng)到行星及其衛(wèi)星之間的引潮力，凡是在重力統(tǒng)攝下的物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，幾乎都沒(méi)有逃出依據(jù)這個(gè)定律做出的預(yù)測(cè)。不過(guò)，在推算水星軌道進(jìn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的瑕疵，或許為這個(gè)定律的局限性揭開(kāi)了冰山一角。

人們開(kāi)始猜測(cè)，牛頓對(duì)宇宙萬(wàn)物運(yùn)行機(jī)制的整體理解，有可能在最為基礎(chǔ)的層面上存在著值得商榷的地方。其實(shí)，只要敢問(wèn)敢想，確實(shí)能夠發(fā)現(xiàn)一些讓牛頓定律顯得有點(diǎn)尷尬的問(wèn)題，比如：假定太陽(yáng)突然間不存在了，會(huì)發(fā)生什么？這個(gè)問(wèn)題的意思是說(shuō)，假如把太陽(yáng)從整個(gè)太陽(yáng)系中乃至整個(gè)宇宙中突然移走，各大行星接下來(lái)將如何運(yùn)動(dòng)？

由于從太陽(yáng)到地球有大約1 億5千萬(wàn)千米的路程，光線(xiàn)走完這段路程需要8分鐘多一點(diǎn)的時(shí)間，那么在太陽(yáng)突然消失之后的8分鐘里，地球上應(yīng)該依然陽(yáng)光普照，誰(shuí)也不知道太陽(yáng)沒(méi)有了。但是太陽(yáng)消失之后，重力也應(yīng)該立刻就消失了，那么地球和其他行星會(huì)不會(huì)像剛剛被運(yùn)動(dòng)員松開(kāi)手之后的鏈球那樣，立即脫離公轉(zhuǎn)軌道，徑直飛向外太空呢？或者，它們?nèi)匀粫?huì)在軌道上正常運(yùn)行一小會(huì)兒，等到太陽(yáng)引力消失的后果傳到它們身上之后再脫軌？

牛頓定律給出的答案更接近前者，即牛頓假定萬(wàn)有引力是能夠瞬間傳遞，其傳遞速度是無(wú)窮高的，但他拿不出一個(gè)足夠嚴(yán)格的證明去說(shuō)明后一種猜測(cè)不正確?？梢哉f(shuō)這是牛頓定律無(wú)法徹底解答的一個(gè)問(wèn)題。

狹義相對(duì)論和牛頓理論的不兼容

狹義相對(duì)論被提出之后，我們有了新的可以詰問(wèn)牛頓的例子。比如，愛(ài)因斯坦著名的質(zhì)能方程表明，質(zhì)量只是能量的一種表現(xiàn)形式，那么這是不是等于在說(shuō)，能量的其他表現(xiàn)形式也跟質(zhì)量一樣，可以體現(xiàn)萬(wàn)有引力的作用呢？一束光可以吸引其他物體，并被其他物體所吸引嗎？牛頓的引力定律對(duì)這種問(wèn)題也無(wú)法給出回答。

類(lèi)似的問(wèn)題還有：假如一個(gè)物體正在相對(duì)于另一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)，此時(shí)它們之間的引力作用會(huì)有什么變化？或者，仍然與兩者相對(duì)保持靜止時(shí)沒(méi)有區(qū)別？狹義相對(duì)論指出物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其尺度會(huì)在運(yùn)動(dòng)方向上收縮，那么此時(shí)要計(jì)算二者間的引力，距離數(shù)值是用因物體收縮而增長(zhǎng)了的距離呢（對(duì)處于運(yùn)動(dòng)物體上的觀(guān)察者而言），還是用不考慮收縮效應(yīng)的距離呢（對(duì)處于靜止物體上的觀(guān)察者而言）？

同理，運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量會(huì)變大，那么萬(wàn)有引力公式中的質(zhì)量值到底是該用物體靜止時(shí)的質(zhì)量，還是該用因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)而增加了的質(zhì)量呢？

除此之外，當(dāng)兩個(gè)物體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相互的引力作用會(huì)隨時(shí)間而變化。我們知道，當(dāng)兩個(gè)帶有電荷的粒子之間做這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們會(huì)輻射出能量。那么，如果“質(zhì)量”只是一種承載著引力的“引力荷”，則兩個(gè)物體做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)不會(huì)放出引力類(lèi)的輻射呢？

對(duì)自牛頓肇始的引力理論來(lái)說(shuō)，這些出色的問(wèn)題重如干鈞，因?yàn)榕ｎD的理論面對(duì)這些問(wèn)題不但不能正確地做出回答，在大多數(shù)情況下甚至連一個(gè)答復(fù)都給不出來(lái)！這一理論基于一種假設(shè)：宇宙中的物質(zhì)數(shù)量是永恒不變的，處于任何位置的任何物質(zhì)，在任何時(shí)刻都與宇宙中其他的所有物質(zhì)之間有著相互的引力作用，而且這種作用的傳導(dǎo)速度無(wú)限快，不需要時(shí)間過(guò)程。另外，牛頓雖然沒(méi)有明確說(shuō)過(guò)時(shí)間和空間也是絕對(duì)的、普遍適用的體系，但他的理論無(wú)疑間接地支持著這種觀(guān)點(diǎn)。

相對(duì)論則用“相對(duì)”一詞告訴我們：空間中的距離、時(shí)間的流逝，這些都不能絕對(duì)地計(jì)量，它們總是受到物體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀況的影響。牛頓的引力定律無(wú)法解釋水星軌道變化問(wèn)題，自不待言；但從理論上看更為麻煩的是，它所建立的基本觀(guān)念，與通過(guò)觀(guān)察和實(shí)驗(yàn)都被確證了的狹義相對(duì)論是不能兼容的。

愛(ài)因斯坦認(rèn)為“引力”和“相對(duì)性原理”是物理世界中極為重要的兩個(gè)現(xiàn)象，他也非常希望二者能夠變得彼此兼容。但是，要實(shí)現(xiàn)這一愿望，就意味著物理學(xué)體系必須發(fā)生變革，意味著需要一個(gè)更具有普遍性的關(guān)于相對(duì)性的理論。

廣義相對(duì)論對(duì)牛頓引力的修正

牛頓引力理論中最引人懷疑的地方，大概就是“超距離作用”的觀(guān)念了：憑什么說(shuō)無(wú)論彼此相距多遠(yuǎn)的兩個(gè)物體（哪怕它們從未彼此接近過(guò)）都能立刻給對(duì)方施加作用呢？對(duì)這種觀(guān)念，牛頓只是起了一個(gè)名字action-at-a-distance，并沒(méi)有做更多的解答。愛(ài)因斯坦對(duì)這種狀態(tài)顯然感到很不舒服，他試圖找到一種辦法去精確地解釋萬(wàn)有引力的發(fā)生。

狹義相對(duì)論的一個(gè)重要觀(guān)念是：所有物體，包括你和我，不僅都在空間中移動(dòng)，而且也都在時(shí)間中單向移動(dòng)，這兩種運(yùn)動(dòng)是一體的，無(wú)法割裂開(kāi)來(lái)。當(dāng)一個(gè)物體相對(duì)于另一物體發(fā)生移動(dòng)時(shí)，無(wú)論從哪個(gè)物體上看，另一個(gè)物體所處的時(shí)間都變慢了（因此所有與時(shí)間相關(guān)的變化過(guò)程也都減緩了）。這些想法催生了一個(gè)新的概念“時(shí)空”(spacetime)。

以此為基礎(chǔ)更上一層樓之后，就出現(xiàn)了廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論最關(guān)心的問(wèn)題是：“時(shí)空”與宇宙中所有的物質(zhì)、能量之間到底是一種什么關(guān)系。一旦我們把宇宙萬(wàn)物在空間中的運(yùn)動(dòng)和在時(shí)間中的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)，看作在“時(shí)空”中的運(yùn)動(dòng)，那么就需要回答以下兩個(gè)非常重大的問(wèn)題：

• 1、處于時(shí)空之中的質(zhì)量、能量和事物，會(huì)給時(shí)空造成什么樣的效應(yīng)？

• 2、容納著所有質(zhì)量、能量和事物的時(shí)空，會(huì)給萬(wàn)物的運(yùn)動(dòng)造成什么樣的影響？

從1907年到1915年，愛(ài)因斯坦用了八年的時(shí)間，全力以赴研究這個(gè)問(wèn)題（其間他向許多頂尖的數(shù)學(xué)家尋求了幫助），最終描繪出了一個(gè)邏輯上完全說(shuō)得通的數(shù)理框架，是為“廣義相對(duì)論”。這一理論的問(wèn)世，讓人類(lèi)眼中的宇宙畫(huà)卷發(fā)生了全然的改變。

所有物體，包括產(chǎn)生于宇宙空間中的輻射的粒子和量子，在這個(gè)新理論里都是重要的角色。如果沒(méi)有它們，時(shí)空將是無(wú)比平坦的，但也不會(huì)有引力存在，即使僅有狹義相對(duì)論也足夠解決問(wèn)題了。但只要宇宙中存在哪怕一個(gè)有質(zhì)量的粒子，它作為能量的一個(gè)極其微小的顯現(xiàn)，也將讓時(shí)空不再那么簡(jiǎn)單。其實(shí)，能量以任何形式的顯現(xiàn)，不論是以物質(zhì)形式還是以輻射形式，或者以某些更加奇特的形式，都會(huì)切實(shí)地改變時(shí)空的結(jié)構(gòu)。

換句話(huà)說(shuō)，空間和時(shí)間再也不像牛頓眼中的宇宙那樣是恒定、靜態(tài)、不變的度量體系?？臻g當(dāng)然可以保持不變，但也可能延展或收縮，這取決于一系列物理變量。靜止的東西沒(méi)有必要再被視為靜止的，而運(yùn)動(dòng)的東西也不必永遠(yuǎn)被視為運(yùn)動(dòng)的了：廣義相對(duì)論說(shuō)，所有物體都只沿著被彎曲了的時(shí)空而運(yùn)動(dòng)，而時(shí)空如何彎曲，則取決于我們這個(gè)宇宙中各種物質(zhì)和能量當(dāng)前是如何分布的。

按此理論，行星繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)并不是因?yàn)橛心撤N看不見(jiàn)、摸不著的超距離作用牽引著，而是因?yàn)樘?yáng)系內(nèi)的時(shí)空的肌理彎曲以太陽(yáng)為中心。而我們感受到的重力作用也不是能夠無(wú)限快地瞬間傳遞了，它傳遞的速度最快也無(wú)法超過(guò)光速。我們不妨把太陽(yáng)系的空間和時(shí)間看作一張平整的床單（即二維的），任何具有一定質(zhì)量（能量）的物體，如太陽(yáng)、大行星、衛(wèi)星、小行星等，都會(huì)在床單表面壓出凹陷，從而改變床單的形狀，這種改變會(huì)讓我們感受到引力。

當(dāng)然，在三維空間中想象這些可能會(huì)有點(diǎn)吃力，但原理其實(shí)完全沒(méi)變：宇宙中所有具有質(zhì)量或（和）能量的事物都會(huì)讓時(shí)空扭曲變形，從而影響和改變其他所有事物承受的引力作用。以上就是牛頓引力和相對(duì)論的不同之處。