王曉林

（吉林廣播電視大學(xué)四平分校，吉林 四平 136000）

引力理論是物理學(xué)中的基礎(chǔ)理論之一，研究物質(zhì)間的一種相互作用──引力作用的理論。在今天人們所知道的物質(zhì)的四種基本相互作用中，引力作用為最弱。四種相互作用按作用強(qiáng)度比例順序是：(1)強(qiáng)相互作用(2)電磁相互作用(3)弱相互作用(4)引力相互作用。因此,在研究基本粒子的運(yùn)動(dòng)時(shí)，引力一般略去不計(jì)。但在天文學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，由于涉及的對(duì)象的質(zhì)量極其巨大,引力就成為不僅支配著天體的運(yùn)動(dòng),而且往往是天體的結(jié)構(gòu)和演化的決定因素。從17世紀(jì)末牛頓引力理論的出現(xiàn)，到上世紀(jì)初愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的誕生，不論是經(jīng)典物理和天文學(xué)，乃至整個(gè)近代物理領(lǐng)域，都有了突破性的進(jìn)展。本文將通過(guò)對(duì)牛頓引力理論的評(píng)析，闡述廣義相對(duì)論產(chǎn)生的必然性，并簡(jiǎn)要?dú)w納其基本物理思想。

牛頓是17世紀(jì)偉大的物理學(xué)家，他對(duì)人類的貢獻(xiàn)是舉世公認(rèn)的，其中引力理論是最有代表性的貢獻(xiàn)之一。由于生活和生產(chǎn)的需要，人類早在幾千年前就開(kāi)始了對(duì)天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，但直到16世紀(jì)哥白尼提出地動(dòng)說(shuō)，才使之進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。之后不久，著名的開(kāi)普勒定律的出現(xiàn)，使當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家能夠精確地預(yù)測(cè)行星的運(yùn)動(dòng)。但這些研究都是應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)，要深入這一領(lǐng)域的研究，迫切需要了解天體之間的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。牛頓正是在這種情況下，總結(jié)了大量的理論和實(shí)驗(yàn)事實(shí)，發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律F=GmM/r2。物體間相互作用的這一定律，1687年為牛頓所發(fā)現(xiàn)。任何物體之間都有相互吸引力，這個(gè)力的大小與各個(gè)物體的質(zhì)量成正比例，而與它們之間的距離的平方成反比。公式中用m、M表示兩個(gè)物體的質(zhì)量，r表示它們間的距離，G稱為萬(wàn)有引力常數(shù)。萬(wàn)有引力定律是牛頓在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)中首先提出的。牛頓利用萬(wàn)有引力定律不僅說(shuō)明了行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且還指出木星、土星等圍繞行星也有同樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。他認(rèn)為月球除了受到地球的引力外，還受到太陽(yáng)的引力，從而解釋了月球運(yùn)動(dòng)中早已發(fā)現(xiàn)的二均差、出差等。另外，他還解釋了慧星的運(yùn)動(dòng)軌道和地球上的潮汐現(xiàn)象。根據(jù)萬(wàn)有引力定律成功地預(yù)言并發(fā)現(xiàn)了海王星。萬(wàn)有引力定律出現(xiàn)后，才正式把研究天體的運(yùn)動(dòng)建立在力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，從而創(chuàng)立了天體力學(xué)。它不僅圓滿地解釋了前人所研究的結(jié)論，而且還進(jìn)一步推動(dòng)了整個(gè)物理學(xué)的前進(jìn)。

縱觀物理學(xué)近300年的發(fā)展史可以看出，牛頓的引力理論取得了重大成就。首先，它是人類史上第一個(gè)成功的引力理論，揭示了自然界中萬(wàn)物之間是相互作用規(guī)律。其次，它奠定了天體力學(xué)的基礎(chǔ)，至今航天事業(yè)的全部計(jì)算仍然使用著由此而得出的若干結(jié)論。

辯證唯物主義者認(rèn)為，任何正確的理論都將與一定的客觀條件相聯(lián)系。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，牛頓引力理論也遇到了許多困難：（1）萬(wàn)有引力是超距作用，不符合場(chǎng)論思想；（2）它只給出了引力的定量描述，而無(wú)引力的本質(zhì)解說(shuō)；（3）Newan-Zeelinnge詳謬；（4）水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)無(wú)法解釋。諸如此類的問(wèn)題迫切要求一種新的理論，這就是后來(lái)的廣義相對(duì)論。

就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，廣義相對(duì)論是一種新的引力理論，是在狹義相對(duì)論之后不久出現(xiàn)的。愛(ài)因斯坦認(rèn)為，狹義相對(duì)論中所說(shuō)的那種勻速平直的慣性系是不存在的，據(jù)此他花費(fèi)了十年的時(shí)間創(chuàng)立了廣義相對(duì)論，這一理論可概況為兩大基本理論：等效原理、廣義協(xié)變?cè)?。?duì)此他又進(jìn)一步指出，“等效原理構(gòu)成了整個(gè)理論的出發(fā)點(diǎn)，并且首先導(dǎo)致了廣義協(xié)變?cè)淼某闪ⅰ！?/p>

何謂等效原理？早在牛頓時(shí)代人們就發(fā)現(xiàn)，引力質(zhì)量mc等于慣性質(zhì)量ml，并一直認(rèn)為這只是一個(gè)平凡的偶然事實(shí)。但愛(ài)因斯坦卻敏銳地從中發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題，他曾寫(xiě)到：“在引力場(chǎng)中一切物體都具有同一加速度，這條定律也可表述為ml=mc，它當(dāng)時(shí)就使我認(rèn)識(shí)到它的全部重要性，我為它的存在感到極為驚奇，并猜想其中必定有一把可以更加深入了解慣性力和引力的鑰匙?！边@里,愛(ài)因斯坦等于給出了這一結(jié)果：mla=mcg?由此可見(jiàn)，只要承認(rèn)ml=mc，就必須同時(shí)承認(rèn)慣性力場(chǎng)與引力場(chǎng)完全等效。引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量相等，曾引起牛頓的注意，幾百年來(lái)一直被物理學(xué)家當(dāng)做基本事實(shí)，但都被當(dāng)做一個(gè)偶然而又自然的事實(shí)。愛(ài)因斯坦由此想到，物理的同一性質(zhì)按照不同的處境，或表現(xiàn)為“慣性”，或表現(xiàn)為重量。為了說(shuō)明它的意義，他進(jìn)行了想象。設(shè)想在遠(yuǎn)離行星或其它引力客體的太空中有一個(gè)大箱子（其質(zhì)量可以忽略），箱子里面有一觀察者，他自由地漂浮于空中，因?yàn)槟抢锊淮嬖谝?chǎng)。現(xiàn)假定另外一個(gè)人在箱子頂部的外面安裝一個(gè)鉤子，鉤子上系有纜索，然后開(kāi)始以一恒力纜索，箱子得到一個(gè)勻加速度，當(dāng)箱子的底板帶起或碰到觀察者時(shí)，這個(gè)加速度才通過(guò)箱子底板傳給觀察者，站在箱子地板上的觀察者，腿部在承受一個(gè)壓力。這同站在地球上一樣，如果他松手放開(kāi)拿在手中的物體，箱子的加速度就不會(huì)傳到這個(gè)物體上，因?yàn)檫@個(gè)物體對(duì)箱子做相對(duì)加速度而落在地板上。箱內(nèi)的觀察者認(rèn)為，物體落向地板也同在地球上落下物體一樣，物體落向地板的加速度總有一恒定值，無(wú)論做實(shí)驗(yàn)的物體如何。因此，這個(gè)觀察者得到結(jié)論：他自己以及箱子是處在同一個(gè)引力場(chǎng)中，但他會(huì)迷惑箱子在引力場(chǎng)中為什么不降落？這時(shí)他看到箱子上面有一繩索系在箱子上，因此他斷定箱子是懸掛在引力場(chǎng)中而靜止的，而箱子外面的觀察者認(rèn)為箱子是在無(wú)引力的空間做加速度運(yùn)動(dòng)的，于是得到“引力場(chǎng)同參照系相當(dāng)?shù)募铀俣仍谖锢砩系葍r(jià)?！边@便是等效原理。愛(ài)因斯坦等效原理的提出，成功地證實(shí)了由此推導(dǎo)的一些預(yù)言。例如：引力對(duì)光的作用、水星近日點(diǎn)的前移、大質(zhì)量恒星發(fā)射光的引力后移等等，對(duì)科學(xué)做出了巨大貢獻(xiàn)。

其實(shí)，愛(ài)因斯坦建立廣義相對(duì)論原理的思想，是希望把只在慣性系內(nèi)成立的狹義相對(duì)論中的相對(duì)性原理，推廣到包括引力在內(nèi)的的一般參考系內(nèi)形成廣義協(xié)變?cè)?。他設(shè)想，物理規(guī)律對(duì)一切參考系就應(yīng)該是平權(quán)的，后來(lái)才發(fā)現(xiàn)這一設(shè)想與等效原理不謀而合。實(shí)際上等效原理把引力與慣性力等效，就是把引力歸結(jié)為時(shí)空效應(yīng)，由此將慣性系過(guò)渡為一般參考系。從這個(gè)意義上講，廣義協(xié)變?cè)韺?shí)際上是等效原理的數(shù)學(xué)表示，即引力可以通過(guò)時(shí)空坐標(biāo)變換包括進(jìn)去、體現(xiàn)出來(lái)，從而把引力問(wèn)題的研究歸結(jié)為時(shí)空幾何性質(zhì)的研究，這就是愛(ài)因斯坦新的引力理論。

廣義相對(duì)論建立之后，愛(ài)因斯坦首先用它解釋了水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)，后又計(jì)算了光線在太遠(yuǎn)附近的偏折，與實(shí)驗(yàn)非常接近。令人驚奇的是，隨著測(cè)試精度的提高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)越來(lái)越接近愛(ài)因斯坦的理論數(shù)值，這就充分證明了廣義相對(duì)論的正確性。這一理論驚人的成功，其核心就在于它圓滿地揭示了引力的兩大特征：（1）兩種質(zhì)量的相等是因?yàn)樗鼈儽緛?lái)就是一種東西，都是做為時(shí)空彎曲的起因；(2)引力是一個(gè)普通的表現(xiàn)形式，因?yàn)樗菚r(shí)空的性質(zhì)，所以時(shí)空中的每一物體自然都會(huì)感受到它。例如：在醫(yī)院的放射治療部，多數(shù)設(shè)有一臺(tái)粒子加速器，產(chǎn)生高能粒子來(lái)制造同位素，作治療之用。由于粒子運(yùn)動(dòng)的速度相當(dāng)接近光速(0.9c-0.9999c)，故粒子加速器的設(shè)計(jì)和使用必須考慮相對(duì)論效應(yīng);全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的衛(wèi)星上的原子鐘，對(duì)精確定位非常重要。這些時(shí)鐘同時(shí)受狹義相對(duì)論因高速運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的時(shí)間變慢（-7.2μs/日），和廣義相對(duì)論因(地面物件)承受著較弱的引力場(chǎng)而導(dǎo)致時(shí)間變快效應(yīng)（+45.9μs/日)。影響相對(duì)論的凈效應(yīng)是那些時(shí)鐘較地面的時(shí)鐘運(yùn)行的快些，因此，這些衛(wèi)星的軟件需要計(jì)算和抵消一切的相對(duì)論效應(yīng)，確保定位準(zhǔn)確;過(guò)渡金屬如鉑的內(nèi)層電子，運(yùn)行速度極快，相對(duì)論效應(yīng)不可忽略。在設(shè)計(jì)或研究新型的催化劑時(shí)，便需要考慮相對(duì)論對(duì)電子軌態(tài)能級(jí)的影響。同理，相對(duì)論亦可解釋為鉛的6S2惰性電子對(duì)效應(yīng)，這個(gè)效應(yīng)可以解釋為何某些化學(xué)電池有著較高的能量密度，為設(shè)計(jì)更輕巧的電池提供理論根據(jù)。相對(duì)論也可以解釋為何水銀在常溫下是液體，而其它金屬卻不是。相對(duì)論指出，光速是信息傳遞速度的極限。超級(jí)電腦的總線時(shí)脈一般不能超越30GHz，否則在脈沖到達(dá)超級(jí)電腦的另一處之前，另一脈沖就已經(jīng)發(fā)出了，結(jié)果電腦內(nèi)不同地方的元件會(huì)不協(xié)調(diào)。相對(duì)論為超級(jí)電腦的布線長(zhǎng)度和時(shí)脈上限提供了理論基礎(chǔ)。由廣義相對(duì)論推導(dǎo)出來(lái)的引力透鏡效應(yīng)，讓天文學(xué)家可以觀察到黑洞和不發(fā)射電磁波的暗物質(zhì)，和評(píng)估質(zhì)量在太空的分布狀況。由此可見(jiàn)，廣義相對(duì)論的提出，在很大程度上是由于相對(duì)論理論自身發(fā)展的需要，而并非是出于有一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象急待有理論去解釋的現(xiàn)實(shí)需要，這在物理學(xué)的發(fā)展史上是并不多見(jiàn)的。因而在相對(duì)論提出之后的一段時(shí)間內(nèi)其進(jìn)展并不是很快，直到后來(lái)天文學(xué)上的一系列觀測(cè)的出現(xiàn)，才使廣義的相對(duì)論有了比較大的發(fā)展。到了當(dāng)代，在對(duì)于引力波的觀測(cè)和對(duì)于一些高密度天體的研究中，廣義相對(duì)論成為其理論基礎(chǔ)之一。而另一方面廣義相對(duì)論的提出也為人們重新認(rèn)識(shí)一些如宇宙學(xué)、時(shí)間旅行等古老的問(wèn)題提供了新的工具和視角。

廣義相對(duì)論作為一種新的引力理論，近100多年以來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用，但牛頓的引力理論并未因此而被完全拋棄。因?yàn)樗宰詈?jiǎn)潔的形式概述了自然界中的引力規(guī)律。在理論上仍然是研究引力理論的基礎(chǔ)，而在工程技術(shù)方面也因其簡(jiǎn)便易行在某些領(lǐng)域內(nèi)仍被廣泛地應(yīng)用。實(shí)際上理論已經(jīng)證明，在弱場(chǎng)近似的條件下，廣義相對(duì)論便過(guò)渡為牛頓引力理論。相對(duì)論和萬(wàn)有引力定律都是對(duì)的，只是運(yùn)用廣義相對(duì)論計(jì)算結(jié)果更近似于實(shí)際測(cè)量值（即準(zhǔn)確值）。然而，牛頓力學(xué)有一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)：計(jì)算簡(jiǎn)便，相反廣義相對(duì)論公式異常復(fù)雜且難以理解，在使用學(xué)習(xí)中有所不便，所以萬(wàn)有引力定律的使用和學(xué)習(xí)比廣義相對(duì)論更加廣泛。相對(duì)論推翻了什么呢？19世紀(jì)前，以牛頓三大定律為核心，經(jīng)數(shù)代科學(xué)家補(bǔ)充研究形成了經(jīng)典力學(xué)理論（牛頓力學(xué)）統(tǒng)治了當(dāng)時(shí)的物理學(xué)。隨著物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，觀測(cè)儀器的不斷改進(jìn)，人們成功地測(cè)量了光速值。不幸的是，人們發(fā)現(xiàn)在任何慣性參考系中光速始終不變。這與牛頓力學(xué)的相對(duì)速度、絕對(duì)時(shí)間相違背，而牛頓力學(xué)對(duì)此毫無(wú)解決辦法，這是牛頓力學(xué)首次與實(shí)驗(yàn)完全不符，他被譽(yù)為當(dāng)時(shí)“物理學(xué)晴空上的兩朵烏云”之一。為了挽救牛頓力學(xué)，科學(xué)家曾提出了以太這一錯(cuò)誤理論。最后當(dāng)時(shí)在瑞士專利局默默無(wú)聞的愛(ài)因斯坦發(fā)表了震驚世界的論文，他提出只要人們放棄絕對(duì)時(shí)間以太理論，就可以成功地解決上述問(wèn)題，這便是相對(duì)論。相對(duì)論提出后，逐漸取代了牛頓力學(xué)，徹底否定了牛頓力學(xué)中的絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間說(shuō)法，但他并沒(méi)有全盤否認(rèn)牛頓力學(xué)，類似萬(wàn)有引力定律等依舊是正確的。廣義相對(duì)論和量子力學(xué)共同構(gòu)成了今日的物理學(xué)，他們分別解決大尺度和微觀領(lǐng)域的問(wèn)題。然而，廣義相對(duì)論和量子力學(xué)卻自身存在矛盾，由于愛(ài)因斯坦的感情因素，廣義相對(duì)論中并沒(méi)有考慮不確定性原理，而這恰恰被量子力學(xué)引入了，這說(shuō)明雙方必有一個(gè)是錯(cuò)誤的。廣義相對(duì)論方程的導(dǎo)出是建立在一種均勻引力場(chǎng)中這一理想環(huán)境中，這也注定它也存在一定錯(cuò)誤。廣義相對(duì)論自身曾預(yù)言一個(gè)奇點(diǎn)，在那個(gè)奇點(diǎn)中一切物理理論將會(huì)失效。這也預(yù)示他自身的垮臺(tái)。隨著物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，或許有一天相對(duì)論也會(huì)像牛頓力學(xué)一樣失去它往日的風(fēng)采。

[1]吳詠時(shí)，李根道，郭漢英.教學(xué)通報(bào)[M].1974 年。[2]《愛(ài)因斯坦文集》第一卷，人民教育出版社。

[3]大學(xué)物理學(xué) 第一冊(cè)（美）F.W.SEARS 等著，郭泰運(yùn)等譯，人民教育出版社。

[4]郭碩鴻.電動(dòng)力學(xué)[M].人民教育出版社。

[5]顧建中.力學(xué)教程[M].人民教育出版社。