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牺牲爱因斯坦 颠覆相对论基石 弥生_cross2013-01-31 14:00 要想建立一个包罗万象、能够解释一切作用力的所谓“万物至理”，第一步或许就是要牺牲掉爱因斯坦所钟爱的等效原理——而这恰恰是广义相对论的基石。 爱因斯坦的等效原理认为，引力和加速是一回事。图片来源： （文/Stuart Clark）科学家通常不太相信巧合。如果两件事情没有实际的联系，那就没人会有兴趣再深究它们。然而，如果巧合不断地发生，其中就必然会有一些潜在关联。科学的任务就是找出这些关联，并以此说明根本就没有什么巧合存在。 然而，现代物理学的一个庞大分支恰恰就摇摇晃晃地建立在一个巨大的“巧合”之上——这件事情实在是非常古怪。 这个巧合植根于我们看待和定义“质量”的方式之中。它涉及这个世界的运作方式，而且太过于基础，以至于我们中的大多数人每天都会遇到它，却从未产生过任何想法。不过，对于世界上一流的物理学家来说，这个巧合已经困扰了他们好几个世纪。伽利略和牛顿都跟它做过斗争，但最终也只能接受它的存在而无法解释它。爱因斯坦更向前进了一步：他宣称这是一种自然原理。接着，他以这个“等效原理”（equivalence principle）为基础，建立了迄今为止解释神秘引力的最佳理论——广义相对论。 但是，存在一个问题。如果我们想要找到某个更好更全面的理论，能够把引力与支配这个世界的其他作用力统一起来，等效原理就不能存在。我们必须破解这一巧合，或者更激进一些，重新考虑物理学应该要如何发展。 等效原理有很多个版本，但万变不离其宗：引力场对物体施加的作用，无法与加速运动产生的效果区分开来。爱因斯坦的一个思维试验可以把它解释清楚。设想一个人站在地球上的一部电梯内部，是什么使他稳稳地站在地板上？当然是无处不在的引力。现在，想象同一个人处在同一部电梯中，只不过电梯处在浩淼的宇宙深处，远离任何引力物体。一枚火箭推动这部电梯加速运动，加速度刚巧跟地球上的重力加速度相等。这位乘客仍然可以稳稳站在地板上，跟前一种情况完全一样。 为什么没有引力，情况也是一样呢？在这种情况下，使乘客飘不起来的是他的惯性。惯性是万物反抗加速的一种自然属性——当司机踩下油门的时候，你就会感受到惯性把你推到椅子背上。 在这两部电梯里，乘客都有一个共同的属性——质量。但这两个质量来源于完全不同的两个方面：前一个是引力质量，是对引力作用的某种反应，使物体在引力场中加速运动；后一个是惯性质量，体现了物体抵抗加速运动的能力。 爱因斯坦提出的等效原理，是他推导出解释神秘引力的广义相对论的重要基石。图片来源：新科学家 两个质量在数值上总是完全相等，这是等效原理的另一种表述方法。这个“巧合”可谓影响深远。如果这两个质量不相等，不同质量的物体在地球上就会以不同的速度下落，而不会在同一个引力场中以相同的方式加速运动。这种“自由落体的普适性”，最早是由伽利略检验过的，据说他曾在比萨斜塔上同时丢下了一袋羽毛和一袋铅块（当然，这只是个传说而已）。实际上，引力和惯性质量的等效会影响整个宇宙中所有的引力运动。打个比方来说，如果引力质量比惯性质量稍大一点，行星围绕恒星以及恒星围绕星系的旋转速度就要比现在稍快一些。 然而，没有任何显而易见的理由可以解释，为什么这两个质量就应该相等。但只有作出这样的假设，爱因斯坦才能把他那套时空拉伸和挤压的古怪想法发展完整，这还是1905年爱因斯坦提出狭义相对论时率先引入的概念。爱因斯坦设想：一个大质量物体（比如行星）压缩周围的空间，并且越靠近它，压缩的幅度就越大。随着某个物体落向这颗行星的表面，穿过这些被压缩的空间所需的时间就会越来越短——看起来就像是在加速运动一样。 古怪的力 到了1916年，这个想法引导爱因斯坦发展出了广义相对论。在广义相对论中，引力只是物体在逐渐被压缩的空间中作匀速运动而表现出来的一种“假象”。没有了引力，引力质量也就成了虚构的概念。宇宙中只剩下唯一一种质量还在发挥作用，它给物体赋予了惯性。等效原理背后暗含的“巧合”，就这样消失不见了。 广义相对论精确无比，经受住了迄今为止我们所作的全部检验，能够准确预言天体位置，在精密引导人造卫星方面也得到了应用。但是，它的一些古怪之处仍让物理学家不太舒服。在自然界中，物体之间的所有其他作用力都是通过极轻的粒子来传递的，比如电磁力就是通过交换没有质量的光子，在带电物体之间传递的。表面上看来，引力的作用方式并没有什么不同，似乎也应该通过这种方式传递才对。 于是，让引力与量子理论统一口径，就成了构建弦论和其他所谓的“万物至理”（theories of everything）等尝试的主导思想。但是，如果将引力重新划归为一种真实的作用力，就需要找到某种东西让它能够依附，就好像电磁力依附于电荷一样。换句话说，“真实”的引力需要依附于引力质量，这种质量必须与惯