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愛因斯坦:引力本質是時空彎曲,為何引力沒被時空彎曲徹底取代?
2023/03/22

先來看兩個公式。

第一個公式,牛頓萬有引力定律公式。

第二個公式,愛因斯坦的引力場方程公式。

看了這兩個公式,你有什麼感覺?

很明顯,牛頓的萬有引力公式看起來更簡潔,計算引力時也更簡單,國中數學水平就能計算出來。

而愛因斯坦的引力場方程同樣是對引力的描述,但這個方程是二階非線性偏微分方程組,想在數學上求解是非常困難的,愛因斯坦也是運用近似的方法來求解然后做出各種預測。事實上,不要說求解了,絕大部分人連看都看不懂。

這兩個方程都是對引力的描述,毫無疑問,愛因斯坦的引力場方程更精確,因為它是建立的相對時空觀基礎上的。而萬有引力是建立在絕對時空觀基礎上的。

牛頓發現了萬有引力,但并沒有詮釋萬有引力的本質,并沒有說明萬有引力到底是如何產生的。

這個難題留給了愛因斯坦,他提出引力的本質是時空彎曲,引力只是時空彎曲的表象而已。

能夠看出,在相對論里,引力確實被時空彎曲取代了,但這并不意味著萬有引力就沒有任何存在的價值了,事實上如今統治我們世界的仍舊是萬有引力,而不是相對論。

為什麼會這樣?

簡單說,因為科學從來都是實用主義,任何理論,只要能在現實中很好地指導我們的生活,就是好理論。也就是通常我們所說的「不管是黑貓白貓,抓著耗子就是好貓」。

不管是萬有引力,還是時空彎曲,都在各自的領域里發揮著不可替代的作用,所以萬有引力不會被時空彎曲完全取代。

從公式來看,愛因斯坦的引力場方程的確比牛頓的引力方程更精確。萬有引力能解釋的,引力場方程也能解釋。而萬有引力不能解釋的,引力場方程也能解釋。

這是為什麼呢?

因為牛頓的萬有引力只適用于低速低引力世界,而愛因斯坦的引力場方程不但適用于低引力世界,也適用于強引力世界。說白了,萬有引力只是引力場方程在低速低引力世界的近似值,只是一個特例罷了。

可以這麼簡單理解,牛頓的萬有引力定律在我們生活的地面世界很好用,不過一旦上升到太空宇宙,就必須用引力場方程,必須用時空彎曲才能詮釋。

比如說,我們日常生活離不開的衛星定位系統,天文學家經常用的引力透鏡效應工具,還有在觀測黑洞的過程中,都必須用到愛因斯坦的相對論。

而在我們生活的地面世界,引力不強,速度也不快,愛因斯坦的時空彎曲概念,也就是引力場方程就可以簡化為牛頓的萬有引力,兩者的預測都是一致的,即使有差異,也是微乎其微,完全可以忽略不計。

更重要的一點,萬有引力公式更簡單,更有實際意義,那微小的誤差不會對我們的生活有任何影響。

比如說如今發射的火箭,衛星,各種探測器等,都是以萬有引力公式為基礎的,而不是愛因斯坦的引力場方程。

這就好比你想把50斤重的箱子搬到2樓,你完全可以自己搬上去,即使你不想費那個力氣,花點小錢雇一個人搬運也可以搞定。但執拗的你非得找一個吊車來搬運50斤重的行李,你覺得有必要嗎?

如果你非得這麼做,也沒什麼不可以的。但整個過程肯定比直接用人力搬上去更復雜,看起來省力氣了,其實更費時費力。

這就是萬有引力與引力場方程的不同之處。

雖然科學向來都是嚴謹的,但科學更講適用,適用才是王道。如果僅僅考慮精確性,而不考慮在現實中的應用,這樣的科學并不能被大眾接受。

在我們的日常生活里牛頓的萬有引力定律比愛因斯坦的相對論更適用,而在面對浩瀚的宇宙,愛因斯坦的相對論更適用。

無論是萬有引力,還是相對論,都各有優點,一個更簡潔,另一個更精確。

最后說一點,時空彎曲能完美詮釋引力的本質,為何科學家還執著尋找量子世界里的假設的引力子呢?

時空彎曲只是從巨觀上詮釋了引力的本質,而引力子的概念是從微觀世界詮釋引力的本質,兩者并不沖突。

況且,時空彎曲并不能詮釋其他基本作用力,比如說電磁力,強力和弱力,還不是很完美。 而科學家追求的就是一種完美的大統一理論,把四種基本作用力完全統一。

廣義相對論中的時空彎曲強調時空是平滑連續的,而量子力學表明時空是離散的,這也是廣義相對論與量子力學不協調的地方,而我們的世界不可能有兩套理論,所以科學家一直在尋找一種全新理論來統一廣義相對論和量子力學。

弦理論被認為最有可能統一廣義相對論和量子力學,但由于它過于繁瑣晦澀難懂,很難在現實中被證實。

總之,萬有引力和時空彎曲都有各自的適用范圍,而時空彎曲也并非萬能的,科學家們仍然在努力尋找大統一理論,最終統一廣義相對論和量子力學的理論!

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