同樣是解釋「引力現象」,萬有引力定律和廣義相對論有什麼區別?

萬有引力

說起萬有引力，我們知道，這是由牛頓提出來的。牛頓認為，萬物都有彼此吸引的力，也就是萬有引力。而且這個引力和物質的質量成正比，和物質間距的平方成反比。這也是我們高中的時候學習的內容。

但我們要知道的是，在做學術研究時，要先把研究的對象定義清楚。而這套模式恰恰就是牛頓開創的，如果你翻開牛頓的著作《自然哲學的數學原理》。

你就會發現牛頓在前10多頁對各種物理量進行了定義。如今我們熟悉的「質量」、「力」等概念，就是牛頓下的定義。

牛頓在研究萬有引力的時候，實際上就需要對時間和空間下一個準確的定義。當然，我們也知道物理學中的時間定義是通過測量定義法。時間指的是周期性的變化。

在牛頓的眼中，時間就是時間，空間就是空間，它們是分離開的。它們就像是直角坐標系那樣是平直的，均勻地變化，不會因為物體的運動形式變化而發生變化。也就是說，無論是對誰來說，感受到的一秒都是一樣，看到的一米都是一樣長的。我們也把牛頓的這個觀點叫做機械的時空觀。

那這個觀念有問題麼？實際上，如果我們生活在地球上，長期處於低速的狀態，這裡的低速指的是遠遠小於光速的速度。那我們感受到的一切就是極為符合牛頓的機械時空觀的。這也是為什麼我們可以統一度量衡，國際上大多數的國家都在用米制等國際單位制的原因。

但是，當這個問題發生變化之後，牛頓的觀念就會出現問題。比如，當我們在太陽附近時，我們感受到的時空變化，就和在地球上是顯著的不同的。意思是說，在地球上的人看到在太陽附近的人都在做慢動作，太陽附近的人相對於地球上的人發生了時間膨脹。不僅如此，看到的物體的尺度也會不同。這看起來很神奇的一幕，來自於太陽引力對於時空的影響。

類似的影響還會發生在飛船上，當飛船加速行駛，並且越來越接近光速，並開始勻速運動時，地球上的人也會和飛船上人的時空出現不同，也就是說，運動狀態也會影響到時空。

下圖就是一個地面觀測者看到的飛船從上空掠過時的情景：

速度為0.1倍光速時。

速度為0.8倍光速時。

速度為0.95倍光速時。

相對論

也就是說，在引力巨大時或者高速運動狀態下，牛頓的時空觀是沒有辦法符合實際觀測的。那該咋辦呢？

這時候，我們就需要用到愛因斯坦的相對論。

狹義相對論

我們都知道相對論還分為狹義相對論和廣義相對論。在狹義相對論中，愛因斯坦統一了空間和時間，他不贊同牛頓的機械時空觀，他認為空間和時間不能分開來看，而應該合併起來看，並稱為時空，而我們生活的世界就是四維時空，三維的空間加上一維的時間。

廣義相對論

不過狹義相對論所能解決的是平直的時空，也就是在慣性參考系或者說勻速運動的情況。你會發現這樣的時空下，相對論的運用場景實際上很有限。畢竟，在自然界中加速運動或者減速運動是很常見。

於是，愛因斯坦開始研究變速狀態下，時空的變化。要知道理論物理學家是很樂意統一各種原本看起來很不一樣的物理學現象的。在理論物理學史上能躋身前三的大神級學者分別是牛頓、愛因斯坦、麥克斯韋。他們分別完成不同的「統一」大業：

牛頓利用萬有引力定律和力學三大定律統一了天上和地上的物理學現象，在牛頓之前，學術圈認為天上和地上分別遵守著兩套完全不一樣的規律。

麥克斯韋利用電磁學理論統一了電和磁，在麥克斯韋之前，科學家雖然已經發現了電和磁之間存在的相互轉化的關係，但並沒有從理論上進行論述。

愛因斯坦統一了時間和空間，不僅如此，他還在質能等價的論文中統一了質量和能量。在此之前，學術圈認為時間和空間是相互獨立的，質量和能量也是相互獨立。

實際上，愛因斯坦的「統一」大業不限於此，在廣義相對論當中，他繼續尋找可以統一的物理學現象。這就是著名的等效原理。

他發現重力場與適當加速度運動的參考系（彎曲的時空）進行等價，也就是統一了這兩種看起來完全不一樣的物理學現象。

這樣的做法也給愛因斯坦帶來驚喜。他發現引力的本質其實就是時空的彎曲。

舉個例子，地球之所以會繞著太陽運動，本質上就是因為太陽壓彎了周圍的時空，然後地球沿著時空的「測地線」在運動。

我們多解釋一下測定線的概念，所謂的測定線，其實可以用牛頓第一定律來理解，這條定律告訴我們：任何物體都要保持勻速直線運動，或者靜止狀態，除非有外力迫使物體改變運動狀態。

說白了，在一個理想的平面上，有個物體，它要麼靜止，要麼就一直勻速直線運動。但平面是二維的，而時空是四維的。太陽其實就是讓這個思維時空的「地面」彎曲了，因此，在四維時空中，地球也是在「勻速直線運動」，而我們所看到的就是地球繞著太陽在運動。

著名的物理學家惠勒曾經這麼總結廣義相對論：時空告訴物質如何運動, 物質告訴時空如何彎曲。

可能你要說了，愛因斯坦的這一套太玄了，憑什麼就是對的呢？

實際上，在愛因斯坦提出廣義相對論時，甚至是狹義相對論時，很多物理學是看不懂的，因此和經典物理學差別實在太大了，包括用到的數學工具也比較複雜。但是，如今相對論成為了主流的科學理論。那到底是什麼原因讓相對論成為主流的科學理論呢？

相對論的威力

科學家這個群體有個特點，那就是有一套嚴格的科學範式。具體來說，就是當合格的科學家發表了一個理論，學術圈的其他同行會通過實驗來求證這個理論，不僅如此，還有很多同行是以「雞蛋裡挑骨頭」的精神來挑錯的。而他們評判的依據除了最基本的邏輯和求證過程之外，還有一點很重要，那就是符不符合客觀現實。

愛因斯坦的相對論能夠成為主流的科學理論就在於此，這個理論和現實擬合得特別完美，它解決了很多牛頓理論遇到的問題。比如：行星的進動問題，一直以來就是牛頓理論的硬傷。

除了進動問題，相對論在引力巨大和高速狀態下的描述遠比牛頓理論精準得多。這才被學術圈廣泛接受。但還不僅限如此，相對論預言了黑洞和引力波的存在。而如今我們不僅觀測到了引力波，同時也給黑洞拍了照片。要知道，這可是100多年前的科學理論，人類花了100多年的時間才驗證了它的預言，這也體現了理論物理學過人的智力。

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但這些也還不夠的，相對論甚至是包括量子力學在宏觀低速的尺度下，都把牛頓力學納入到了自身的體系當中，或者我們可以說，牛頓力學是相對論和量子力學在宏觀低速下的近似解，這種新理論兼容舊理論正是科學家所希望看到的。

關於萬有引力和相對論的區別，我們就說到這裡。