加拿大,安大略省
苹果为什么总是往下掉，而不是往天上飞？三百多年前，牛顿给出了一个让世界信服的答案：因为地球像一块看不见的巨型磁铁，把苹果“拉”向自己，这种“拉力”就是万有引力。两个多世纪里，牛顿万有引力理论解释行星、潮汐与炮弹的轨迹，几乎畅通无阻。
几乎并不是全部，科学家们发现，牛顿的万有引力理论并不能全部解释宇宙中的现象，比如水星进动问题，光线偏转的角度，由此催生出了爱因斯坦的广义相对论。
爱因斯坦颠覆了引力理论
1907年，爱因斯坦在广义相对论提出了这样一个思想实验：你站在电梯里，忽然缆绳断了，电梯连同你一起自由下落，口袋里掉出的硬币悬停在半空，双脚轻轻离开地板，此时你完全感觉不到引力的存在。反过来，若这部电梯被拖到远离恒星的深空中，被缆绳向上一直加速，你便会被“按”在地板上，脚下压力与站在地面上毫无差别。
图1 电梯思想实验：自由下落与加速上升（等效原理）
这种“引力与加速无法分辨”的洞见，就是等效原理。既然引力与加速度在局部完全等效，引力作为一种“力”的定义就遭到质疑。严格意义上说，引力并不是“力”，而是时空弯曲在人类眼中的投影。
时空弯曲才是“引力”的深层次根源
广义相对论的精髓就是：物质与能量使时空弯曲，弯曲的时空又规定物质如何运动。所以，时空弯曲是根源，引力是它的表现；没有物质与能量，就没有弯曲，也就没有引力。
让我们用一张蹦床来理解。把一颗沉重的大球放在蹦床中央，床面被压出一个凹陷；再把一颗小玻璃珠放到凹陷边缘，它会身不由己地滚向大球，这种现象被称为“引力”。当然，真正的时空并非是这张蹦床，而是宇宙中无处不在的四维时空，没有“上下左右”之分。
大质量天体压弯周围的时空，一切物质，行星乃至整个星系，包括每秒30万公里的光，都逃脱不了时空弯曲的路径，只能沿着被弯过的“最省力路径”滑行。所谓引力，正是物体沿弯曲时空滑行时表现出的轨迹，是时空弯曲可视化表现。
图2 牛顿的“力” vs 爱因斯坦的“时空弯曲”
严格说，“引力”与“时空弯曲”是同一件事的两种语言，牛顿的公式是它在低速、弱引力下的近似，爱因斯坦的方程则把行星、星光与黑洞一网打尽。
爱因斯坦完美解释了牛顿的困惑
1919年5月29日日全食，英国天文学家爱丁顿率队观测到，从太阳边缘掠过的星光发生了偏折，角度约1.75角秒，相当于3公里外一枚硬币的张角，与广义相对论的预言分毫不差，而牛顿理论预测值只有实测的一半。
图3 1919年日全食：星光掠过太阳边缘被弯曲约1.75角秒
水星近日点每世纪会多转动约43角秒，牛顿引力怎么也算不出这笔账，天文学家一度怀疑是某颗未知行星在捣鬼；1915年，爱因斯坦的方程一出手，答案分毫不差。
图4 水星近日点进动：每世纪约43角秒
你的手机导航每天都在使用广义相对论校正，GPS卫星上的原子钟因引力较弱每天快约45微秒，又因高速运动每天慢约7微秒，净快38微秒。若不修正，一天之后定位误差将高达约10公里。
2015年9月14日，美国LIGO探测器捕捉到约13亿光年外两颗黑洞并合时掀起的引力波。时空不仅能被压弯，还能像水面一样荡漾，完美验证了广义相对论预言。
现在回到开头的苹果掉落问题，它下落的真正原因，并非有只手用“力”在拉它，而是它附近的时空被这颗蓝色星球压弯，由此苹果只能顺着弯曲的时空滑落。而你此刻读着这些文字，你本人的存在，也在以同样的方式弯曲着你周围的时空。只不过质量越小的物体，造成的时空弯曲越小，小到一定程度就无法感知而已。
所以，引力从来不是一种力，它就是时空弯曲在我们眼中的样子。
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