導(dǎo)讀：要想深刻理解廣義相對論，先來回答這6個關(guān)于等效原理的問題。

再談引力與量子力學(xué)的關(guān)系

——靈遁者

如果你相信引力是時空彎曲產(chǎn)生的幾何效應(yīng)，不是真實存在的力，那么引力子就是一個多余的概念！可是各個國家的科學(xué)家不少人相信引力子的存在，并且花大價錢設(shè)計了引力子探測器。你說這是為什么呢？

而且更大的問題是引力不是力，那么就談不上四種基本力統(tǒng)一了！因為引力是一種假象?？墒乾F(xiàn)在的科學(xué)家努力在做統(tǒng)一工作，其他三種力已經(jīng)統(tǒng)一了，還不宣布大功告成？引力不是力的話，弦理論也是多余，因為弦理論也是為統(tǒng)一四種力而做的努力。

不論是科學(xué)家還是平民，即相信這，也相信那，他們迷茫?。∫簿褪钦f鋪天蓋地宣傳引力是時空彎曲產(chǎn)生的幾何效應(yīng)的這批人，他們其實也不知道自己在說什么，愛因斯坦本人也是迷茫的。( 文章閱讀網(wǎng)：www.sanwen.net )

方向錯了，一切就不明朗。先實實在在搞清楚引力是不是力？廣義相對論的解讀是否準(zhǔn)確？不從根本上解決問題，不僅耗費物力，也讓很多熱愛探索的人窮盡一生無果而終。我們這一代人應(yīng)該著重解決這一問題，而不是把問題留給下一代人。

引力到底是不是力？你現(xiàn)在好好思考，然后再給自己一個答案。問題的答案有三種可能，分別是引力是力，引力不是力，引力是力也不是力。有人這時肯定會批評道：“引力怎么可能是力也不是力呢？”是的，我也覺得匪夷所思，這是在自找麻煩。可是一想到薛定諤的貓可以是即死又活的，光可以是波也可以是粒子，還可以是波粒二象性同在的狀態(tài)?！救鹗柯迳Ｂ?lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的科學(xué)家成功拍攝出有史以來第一張光同時表現(xiàn)出波粒二象性的照片。這一突破性成果發(fā)表在3月2日的《自然·通訊》雜志上。】

上面的三種可能，哪個是正確的，我們還得回到引力探索史中，來一步步確定答案。而且這段歷史，大家已經(jīng)很清楚了。關(guān)于引力的主流理論，前有牛頓萬有引力，后有愛因斯坦廣義相對論。分歧也就出現(xiàn)在他們兩人之間，那到底誰是對的？我們似乎從未說過牛頓是錯的，愛因斯坦是對的。我們也沒有說過，牛頓是對的，愛因斯坦是錯的。我們是這樣說的，低速情況下，牛頓萬有引力理論就近似為廣義相對論的結(jié)果；高速情況下，就用廣義相對論。我們的教科書也在教牛頓萬有引力理論，就說明現(xiàn)階段我們認(rèn)可牛頓萬有引力理論，我們不認(rèn)為它是錯誤的理論。

可兩種理論的時空觀截然不同，顯然愛因斯坦的時空觀，經(jīng)受住了目前所有的實驗檢驗。而我們沒有放棄牛頓引力理論的原因，是因為它好用。兩個物體之間的引力，你用牛頓引力理論很好計算，你試試用愛因斯坦引力場方程去計算，你根本就一頭霧水。如果我們認(rèn)為愛因斯坦引力理論才是最本質(zhì)的引力理論，那么牛頓引力理論自然是錯誤的。那就是說引力不是力，或者引力是力也不是力。我們先從這個方向走走看。

你必須要清楚地明白，無論是牛頓的引力理論，還是愛因斯坦的引力理論，都離不開兩個概念：慣性和加速度。

深刻理解這兩個概念，是你理解什么是引力的關(guān)鍵。我們先來看看慣性的定義。牛頓關(guān)于慣性的定義：物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的性質(zhì)，稱為慣性。現(xiàn)在教科書認(rèn)為慣性是物體的一種固有屬性，表現(xiàn)為物體對其運動狀態(tài)變化的一種阻抗程度，質(zhì)量是對物體慣性大小的量度。

我在《變化》一書中，對慣性的定義，做了引申。慣性定義為：在引力場中，物體具有保持當(dāng)下運動狀態(tài)的性質(zhì)，叫做慣性。

再來看看加速度的定義：加速度是速度變化量與發(fā)生這一變化所用時間的比值Δv/Δt，是描述物體速度變化快慢的物理量。

在這里你必須明白，力不是維持物體運動的原因，慣性才是。力是改變物體運動狀態(tài)的原因，即力是產(chǎn)生加速度的原因。

靈遁者《變化》

首先你會發(fā)現(xiàn)，慣性是一個很神奇的存在。慣性是維持物體運動的原因，但慣性又是抵抗物體運動狀態(tài)改變的原因。這也是為什么物體運動狀態(tài)要改變，要克服慣性做功。

一根羽毛和一個鐵球在真空中為什么同時落地？是因為重力加速度一樣。其根本原因是物體質(zhì)量越大，物體抵抗其運動狀態(tài)改變的能力也越強。但如果把羽毛和鐵球放在地球不同的維度，即使在真空環(huán)境下，那么它們也不會同時下落。因為重力加速度隨著緯度變化，有變化。

牛頓引力理論，并沒有解釋物體間的引力是如何產(chǎn)生的。牛頓認(rèn)為引力本來就存在，無需解釋，也無法解釋。

同樣，牛頓慣性理論，也沒有解釋慣性是如何產(chǎn)生的。牛頓認(rèn)為慣性本來就存在，是物體的屬性。無需解釋，也無法解釋。

那么愛因斯坦引力理論呢？愛因斯坦認(rèn)為引力是時空幾何效應(yīng)，不是真的力。我們說大質(zhì)量物體會使得光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，不以直線傳播，這是愛因斯坦的預(yù)言，也得到了證實。如果你贊同時空彎曲產(chǎn)生引力，那么準(zhǔn)確地理解應(yīng)該是這樣，大質(zhì)量物體使得時空彎曲，光線沿著彎曲時空進行傳播，即發(fā)生偏轉(zhuǎn)了。也就是說，并不是引力使得光線偏轉(zhuǎn)了，是時空彎曲使得光線只能走彎曲路徑【測地線路徑】。同理，其他星體的運動或者物體的運動也是如此，就好像它們都有自己的彎曲“軌道”。

同時你還需要明白，要深刻理解廣義相對論，就必須深刻理解狹義相對論。因為廣義相對論是建立在狹義相對論之上的。那么我們就需要把狹義和廣義相對論成立的條件列出來，一一做個分析。

靈遁者科普四部曲

1、狹義相對論是建立在狹義相對性原理和光速不變原理之上。那什么是狹義相對性原理，什么是光速不變？

狹義相對性原理：一切物理定律（力學(xué)定律、電磁學(xué)定律以及其他相互作用的動力學(xué)定律）在所有慣性參考系中都是等價（平權(quán)）的，沒有一個慣性系具有優(yōu)越地位，不存在絕對靜止的參考系（以太），從而否定了“以太說”和絕對空間。

值得一提的是，這個原理其實是伽利略相對性原理的推廣，也就是說伽利略是第一個思考慣性中物體運動的變化的人?？梢哉f不理解慣性，慣性系，非慣性系的情況下，你要深刻理解相對論，是做不到的。

光速不變原理：真空中的光速對任何觀察者來說都是相同的。

2、廣義相對論是建立在廣義相對性原理和等效原理之上的。那什么是廣義相對性原理？什么是等效原理？

廣義相對性原理：所有的物理定律在任何參考系中都取相同的形式。

等效原理：慣性力場與引力場的動力學(xué)效應(yīng)是局部不可分辨的。

等效原理又分為弱等效原理和強等效原理，弱等效原理認(rèn)為慣性力場與引力場的動力學(xué)效應(yīng)是局部不可分辨的。強等效原理認(rèn)為，將“動力學(xué)效應(yīng)”提升到“任何物理效應(yīng)”。要強調(diào)，等效原理僅對局部慣性系成立，對非局部慣性系等效原理不一定成立。

等效原理是愛氏引力理論的一個物理性質(zhì)，即在任何一個時空點上都可以選取適當(dāng)?shù)膮⒖枷担挂磺形镔|(zhì)的運動方程中不再含有引力項，即引力可以局部地消除。如果認(rèn)為這種消除了引力的參考系是慣性系，那么等效原理告訴我們，在任何一個時空點，一定存在局部慣性系。伽利略最早注意到，不同物體沿斜面的下滑運動是一樣的，即引力加速度與物體的組成無關(guān)。

等效原理是廣義相對論的第一個基本原理，也是整個廣義相對論的核心。其基本含義是指重力場與以適當(dāng)加速度運動的參考系是等價的。

為什么這里要著重介紹等效原理，其實你仔細(xì)推敲狹義和廣義相對論的四條原理，最讓人產(chǎn)生疑惑的就是等效原理。其他三條原理，光速不變目前經(jīng)受住了實驗考證，狹義相對性原理和廣義相對性原理，從數(shù)學(xué)推導(dǎo)上也能證明。唯獨這個等效原理，它其實沒有嚴(yán)格的實驗，這個思想的靈感來自于愛因斯坦的電梯實驗。

狹義相對論是以四維平直空間中的勻速直線運動為考察對象的，適用于一切慣性系，但無法說明非慣性系中的運動現(xiàn)象。為了克服狹義相對論的不足，將狹義相對論推廣到具有加速度的非慣性系中，愛因斯坦運用了電梯思想實驗為人們打開思路。

想象你身處一個密閉的電梯中，發(fā)現(xiàn)自己漂浮其中，那么你如何區(qū)分自己是在太空中失重還是跟著電梯在地球的引力場中做自由落體運動？相反，如果你踏踏實實地被吸在電梯的地面上，你又如何判斷電梯是在太空中做加速運動還是電梯靜止在地球表面？這就是愛因斯坦等效原理的思想實驗來源。

電梯思想實驗告訴我們，引力場和加速度的效果是相等的。廣義相對論成功地拓展到了非慣性系中。

我來問你幾個問題，你回答了這些問題，就能清楚地明白，你是否真的理解了廣義相對論。

第一個問題：等效原理分弱等效原理和強等效原理，那么廣義相對論到底是以弱等效原理為基礎(chǔ)，還是以強等效原理為基礎(chǔ)？弱等效原理的等價說法是“引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量相等”。而“引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量相等”是經(jīng)歷過大量嚴(yán)格的實驗檢驗的。20世紀(jì)60年代，Dicke改進了Eotvos的實驗，把精度進一步提高到10-11，此后Braginsky和Basseler分別把實驗精度提高到10-12的精度。然而廣義相對論應(yīng)該是以強等效原理為基礎(chǔ)的，因為它是一個基礎(chǔ)性理論，必須嚴(yán)格，適用范圍必須是全域的。而強等效原理現(xiàn)在是更強的假設(shè)，沒有經(jīng)歷弱等效原理那樣嚴(yán)格的實驗檢驗，但是我們應(yīng)當(dāng)指出，廣義相對論的任何成功都是對強等效原理的有效支持，包括弱等效原理實驗精度的提高。

所以強等效原理的【引力場與慣性場的一切物理效應(yīng)都是局域不可分辨的。】一切物理效應(yīng)的檢驗，是一個巨大的挑戰(zhàn)。比如某種量子力學(xué)效應(yīng)在引力場和慣性場中是否不同，我們其實并不知情。

第二個問題：為什么等效原理定義里寫著“局域不可分別的”？很明顯，“局域”兩個字是一種限制，特定環(huán)境和狀態(tài)的限制。這就會牽扯出第三個問題：“既然是有限制的，那能稱得上廣義嗎？”

第四個問題：為什么這么多年了，在解釋等效原理的時候，我們總是拿電梯實驗來說呢，沒有比電梯實驗更好的實驗嗎？或者說這么多年過去了，我們想不到比愛因斯坦更好的解釋方法嗎？我試著想過，可是一想到引力場和加速度這樣的概念，似乎也就只能按照“電梯實驗”思路來走，說明這也是一種“限制”。就好比牛頓，他其實知道引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量相等的事實，他解釋不了，就認(rèn)為是偶然。

愛因斯坦不認(rèn)為是偶然，所以不斷思考，才有電梯實驗這樣的構(gòu)想?？墒俏覀?nèi)绻氩坏健半娞輰嶒灐敝獾南敕ê退悸?，是不是也有一種“偶然”的成分。

第五個問題：為什么等效原理是把狹義相對論拓展到廣義相對論關(guān)鍵？是因為這里面有加速度的概念了，也就是從慣性系到非慣性系的過渡。但要注意，電梯實驗中的自由落體和加速都是等加速，不是加速度忽快忽慢這樣的情況。如果是這樣的情況，那么引力場和慣性場是可以分辨的。始終別忘了非慣性系可以定義為與慣性參考系有相對加速度的參考系。

所以說電梯實驗其實是一種很特殊的情況，限制性其實相當(dāng)大。這時候我來回答，第三個問題“既然是有限制的，那能稱得上廣義嗎？”答案是稱得上，雖然電梯實驗是一種理想而有特殊的情況，但確實可以反映一個事實，即引力場和慣性場局域等效。那么以微分思想來看，有這么一個點，就有無數(shù)個這樣的點，比如等加速9米每秒，10米每秒，甚至100米每秒，正好會有一個星球上的引力常數(shù)g數(shù)值，與這些數(shù)字相等，那么電梯實驗就是普遍的。達到了以一斑窺全豹的目的，即從“微分”轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺e分”，實現(xiàn)了理論上的“廣義。”

敏感的人已經(jīng)能夠發(fā)現(xiàn)了，引力場和慣性場局域等效的直接后果，就是把引力“慣性”化了。當(dāng)把引力“慣性”后，你會發(fā)現(xiàn)似乎引力是一種“引力勢能”，而究其根源，是時空。所以愛因斯坦得出了引力是時空彎曲的幾何效應(yīng)。該怎么給你們更通俗的形容呢？就好比我們經(jīng)常說慣性力，大家熟悉吧。慣性力日常生活常見，對我們影響也很大。一個對我們產(chǎn)生實實在在影響的力，卻不是真實的力，即我們認(rèn)為慣性力不是力。現(xiàn)在引力對我們產(chǎn)生了實實在在的影響，我們也說它不是力。這樣解釋你應(yīng)該好理解了，因為它沒有施力者啊。

如果真的按這樣的思路來論，那么引力就不是力。

可是你有沒有想過，如果可以這樣解釋引力，那么我是不是也可以這樣解釋慣性？解釋慣性力？你沒有想過？沒關(guān)系，有一個人叫馬赫，他想過。事實上，愛因斯坦也是汲取了他的思想，才得以構(gòu)建了他的廣義相對論。

至此，你就明白了。引力不是力，是時空彎曲產(chǎn)生的幾何效應(yīng)。真這樣論，那么引力子就不存在，引力場也不存在。引力波還可以存在，因為引力波是時空的漣漪，即時空彎曲的波動證明。而且現(xiàn)在還證明了引力波傳遞速度是光速。

現(xiàn)在你終于明白，愛因斯坦為什么說想象力比知識更重要了吧。但我要說的是，想象力雖然比知識更重要，但不能想象的想象力讓人覺得隱隱不安。而通過上面的討論，如此多的“限制”和“理想化”來支撐這一現(xiàn)代支柱理論，總讓人隱隱不安，害怕它的一個“支腿”不穩(wěn)。

再問你最后一個問題，也就是本章的第六個問題：“廣義相對論是引力理論嗎？”沒錯，愛因斯坦是想把引力納入進狹義相對論的，納入不進去，才又苦思出廣義相對論?？墒窃谖覀兛磥恚@個納入“引力”的廣義相對論，與其說是引力理論，不如說是時空理論。它必須先是時空理論，然后才是一種引力理論。

我的隱隱不安來自和愛因斯坦一樣的懷疑，即我們都相信引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量相等不是偶然，借此也解釋了引力的成因，即引力是時空彎曲產(chǎn)生的?？墒菫槭裁催€相信，慣性不需要解釋，也無法解釋呢？物體的慣性到底是誰賦予的？怎么來的？不解釋這個，我時常會隱隱不安。

那么我該怎么解釋慣性的成因呢？就像我在《變化》的前幾章分析的那樣，我們不能犯和馬赫一樣的錯誤，我贊同愛因斯坦光速的理論。那么就隱喻著慣性傳播具有光速。也就自然而然的拋棄了慣性是全宇宙時空使然的選擇了。那么到底什么使得物體具有慣性？我自然想到了引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量相等，也想到了等效原理。那么答案就似乎明了了，是引力。只有這個東西，才能滿足要求啊。即引力使得物體具有慣性！這是在《變化》中寫了N遍的思考。

可是這樣一想一寫，問題又來了。引力不是力，是時空彎曲的幾何效應(yīng)。那么引力使得物體具有慣性，就是說時空彎曲使得物體具有慣性?？墒且坏┖蜁r空聯(lián)系起來，必然出現(xiàn)超距問題。

所以我得質(zhì)疑引力的成因到底是什么了？也就是說引力是時空彎曲產(chǎn)生的幾何效應(yīng)，要打上問號了。所以引力是力，就必須進入討論了。當(dāng)引力是力的時候，傳播引力的粒子就是引力子，引力場的概念也就必須有了。如此引力的成因就變成了，在引力場中，物體通過傳遞引力子來相互作用的一種力。引力場當(dāng)然是全域的，所以指向時空。約翰惠勒那句對于廣義相對論的經(jīng)典解讀：“物質(zhì)告訴時空如何彎曲，時空告訴物質(zhì)如何運動?！奔创筚|(zhì)量物體的引力使得時空彎曲，時空彎曲又影響物體運動。

所以我在書中寫，愛因斯坦建立了一個了不起的理論，但在解釋的時候出現(xiàn)了錯誤。有人說你質(zhì)疑相對論？我是懷著懷疑的態(tài)度來欣賞和致敬愛因斯坦的。廣義相對論首先是宇宙理論，場方程也是宇宙場方程。

這個時候你會發(fā)現(xiàn)，牛頓引力理論為什么是正確的，也得到了答案。只是牛頓考慮的是靜態(tài)超光速宇宙，而愛因斯坦是結(jié)合時間的四維時空理論。

廣義相對論之所以難，相信通過上面的討論，你就有體會了。光一個等效原理就值得提問好多。那么光速不變，時間，廣義相對性原理等等，又可以提問好多。它們的之間的關(guān)系，你都要融洽理解，才能助你更好理解廣義相對論。

讀到這里，你應(yīng)該很清楚地知道了，牛頓沒有能解釋清楚引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量為什么相等的原因，愛因斯坦也沒有解釋。雖然他相信這不是偶然，并以此建立了等效原理。可是等效原理有解釋引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量相等的原因嗎？沒有。

如此你就明白了，等效原理的建立，來源于一個“嚴(yán)格相等的事實”，但這個事實并沒有得到嚴(yán)格的推理和論證。所以真正意義上的廣義相對論，叫廣義相對論，而不是愛因斯坦引力理論是非常正確的。廣義相對論首先不是引力理論，它是包含引力理論的理論！即從慣性系到非慣性系的拓展理論，即全域性的場理論。所以它叫愛因斯坦場方程，我們把它稱作愛因斯坦引力場方程的時候，其實是對它的一種“限制”解讀。

那么引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量嚴(yán)格相等的原因是什么呢？讀我《變化》的朋友都已經(jīng)知道了，引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量嚴(yán)格相等的原因是，慣性是由引力作用產(chǎn)生的，即引力是慣性的源泉。而引力的本質(zhì)是引力場，即時空場對于物質(zhì)的作用。如此引力子的存在就是合理的。引力也就肯定是力！那么自然而然，科學(xué)家會想到要把引力和其他三種基本力做統(tǒng)一起來的努力。其大無外，其小無內(nèi)，引力怎么會和量子力學(xué)是背道而馳的呢？不會的，引力作為一種基本作用，與量子力學(xué)一定融洽的。

獨立學(xué)者，科普作家靈遁者科普作品。本章將收錄在靈遁者量子力學(xué)書籍《見微知著》中。

作者簡介：靈遁者，原名王銀，男。陜西人，現(xiàn)居西安。主要代表作品靈遁者科普四部曲《變化》《見微知著》《重構(gòu)世界》《探索生命》。其他作品《相觀天下》《非線性波動》《我的世界》《筆有千鈞》《觸摸世界》等文學(xué)作品。靈遁者書籍：tansuozhizi

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