你可能一直以为地球像个小球,被太阳用一根看不见的绳子拉着在太空里转圈,实际上不是这样,地球根本没被拉,它只是在自由往下掉,不过它往下掉的时候还带着一个横向速度,这个速度是每秒7.9公里,刚好让它掉下去的路径和地球表面的弯曲程度一样,所以它不会撞上太阳,也不会飞走,就像空间站里的宇航员,他们不是飘着没有重力,而是和空间站一起朝着地球不断往下落,神舟二十三号去年5月底完成交接时,乘组还在轨道上自由往下掉,只是速度够快才没落到地面上。
牛顿当年计算出行星怎么运行,也准确预测海王星的位置,但他自己承认,不明白引力是如何传递的,真空中什么都没有,太阳隔着1.5亿公里推动地球,他的公式很精确,但没有解释背后的机制,就像你知道手机能打电话,却不清楚信号如何从基站传到你的耳朵里,他的理论是一个实用的工具,而不是揭示真相本身。
后来爱因斯坦想到一个办法,把引力解释成空间弯曲了,他在1907年坐在电梯里琢磨的时候,发现人自由下落时感觉不到重力,和飘在太空中的状态很像,于是他提出重力不是一种力,而是大质量物体让时空发生弯曲,地球就是沿着这条弯曲路径中最直的那条线运动,也就是测地线,我们可以拿一张床单,中间放一颗保龄球,再滚一颗小弹珠过去,弹珠并不是被吸过去的,是因为床单中间凹下去了,它只能顺着凹下去的地方走,太阳就像是那颗保龄球,而地球就像那颗小弹珠。
这想法有实际证据,1919年5月29日发生日全食时,科学家拍下星星光线经过太阳旁边偏转的角度,正好是1.75角秒,与爱因斯坦计算结果一致,牛顿算出的数值只有一半,后来全球定位系统也依赖这个理论,卫星上的钟表由于离地球远引力弱时间变快,同时因为飞行速度快时间又变慢,两个效应叠加每天产生38微秒误差,如果不做校正,导航一整天位置偏差能达到10公里,还有引力透镜现象,天文学家经常利用星系作为放大镜观察更远星体,顺便探测暗物质分布位置。
最近几年,我们直接听到了时空的震动,2015年LIGO第一次捕捉到引力波,那是两个黑洞撞在一起发出的涟漪,振幅比原子核还要小,2019年拍到M87黑洞照片,那圈橙红色的光其实是光子绕着极端弯曲的时空打转,相当于给时空拍了一张自拍照,今年初GW250114信号出现,确认黑洞合并后视界面积增加了,霍金几十年前的猜想得到证实,中国也在推进天琴和太极计划,打算在2030年代发射卫星去太空接收更低频的波,这些波是地面设备无法探测到的。
爱因斯坦的理论也有自己的困难,它和量子力学碰到一起就会产生矛盾,比如黑洞中心的奇点,那里密度变得无限大,体积却接近零,时空曲率也急剧升高,这时候量子效应肯定重要,可现有的理论算不出来,很多人认为广义相对论是目前最好的描述方式,但它很可能不是终点,就像牛顿当年觉得自己的理论已经够用,结果爱因斯坦推翻了一半,科学向前走,往往不是往里加新东西,而是换一种新的眼光去看老问题。
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