引力的本質是什麼？如何產生的？

03-07

導讀：關於愛氏場方程和時空彎曲的關係是這樣的。時空產生引力，引力使得時空彎曲。但不能用時空彎曲，解釋慣性。這個思想是錯誤的。

第三十九章：關於愛因斯坦場方程與時空彎曲的關係

上面一章講了《關於愛因斯坦場方程的引力新解》，我們對於引力的本質認識有了新觀念。即引力的本源是時空。

這區別與愛氏的時空彎曲產生引力。那麼時空彎曲究竟是怎麼回事？是什麼使得時空彎曲？時空真的會彎曲嗎？？

時空會彎曲是真的，這是毋容置疑的。引力波能被探測到就是最好的證明。因為引力波是時空的漣漪，是時空的振動，這說明空間是具有彈性的，不是純剛體的東西。

還是把場方程的圖，放在開頭。那麼空間是如何彎曲的，就是我們應該深挖的內容。

根據上面的公式我們可以看出從整個方程式的意義：空間物質的能量-動量（T_uv）分布=空間的彎曲狀況（R_uv）。

而（T_uv）所代表的是時空，是能量分布，是時空可以產生引力。所以時空彎曲是通過引力完成的，是引力作用使得時空空間的彎曲。

· 從左邊的G_uv愛因斯坦張量等於（T_uv）的形式，也可以看出這個指向。

在這裡要提一下慣性，我一直強調慣性的本源就是引力。可有人說慣性的本質是時空彎曲，這樣說對嗎？

內容如下，摘自百度百科：「研究者提出由廣義相對論解釋慣性的可能成因:靜者恆靜乃是因為靜止質量會扭曲時空產生凹陷，猶如一個鐵球放在彈簧床的正中央產生了凹陷，此凹陷限制了鐵球的運動並固定其位置，此可解釋為何引力質量恰與慣性質量完全相等，是故靜者恆靜。

動者恆動是因為廣義相對論有旋轉參考系托曳，及線性參考系托曳，當一個具質量物體轉動時時空會跟著轉動，而直線運動時時空也會跟著直線運動，根據參考系托曳公式，時空場運動的幅度正比於角動量或動量，當時空轉動時其上的物體會跟著轉動而當時空線性前進時物體也會跟著向前運動，當物體再轉動或直線前進時它又會帶動時空的轉動或直線運動，如此循環不息的正向回饋，造成了動者恆動轉者恆轉，這也是動量守恆及角動量守恆的原因，是故動量為物體直線運動的慣性而角動量為物體旋轉運動的慣性。」

不知道大家讀了這段拗口的論述會怎麼想？看剛開始的幾句描述，關於靜者恆靜的論述，好像是有幾分道理。這會引發我們生活經驗的共鳴。但本質是上錯誤的，不能那樣理解，事實也不是他說的那樣。

慣性的定義是什麼：在引力場中，物體保持原來運動狀態的性質叫慣性。

所以首先不能將「靜者」和「動者」分開來解，上面的解釋造成同一事件有多種本質成因，這是不可能的。愛氏的場方程也不是這樣顯示的。

引力質量和慣性質量嚴格相等的解釋是引力是慣性的源泉！這才是他們相等的本質原由。

而他上面所說的是動量守恆和角動量守恆，這是存在的。愛氏場方程一個重要結果是遵守局域的能量與動量守恆。慣性是一個保持「守恆的」因素，但慣性的成因不是像他說的那樣的。

而且細心的人會對他說的第一句話就產生疑惑：「靜者恆靜乃是因為靜止質量會扭曲時空產生凹陷。」那麼我們問非靜止質量不會扭曲時空，使得時空產生凹陷嗎？

這就使得自己無法自圓其說。而且在時空中，我們都知道，靜止是相對的，運動是絕對的。

事實在我看了愛氏的關於理想實驗的時候，就已經想到了慣性與引力的聯繫。可是愛氏卻沒有想到，他的注意力在引力上，就是建立一個將引力納入框架的新理論。

我們來看看這個構想，我在前面章節也做過類似的論述，今天這個算是補充說明。

大家知道經典力學的一個基本原理是：任何一個物體的運動都可看作是一個不受任何外力的自由運動（慣性運動）和一個偏離於這種自由運動的組合。

這種偏離來自於施加在物體上的外力作用，其大小和方向遵循牛頓第二定律（外力大小等於物體的慣性質量乘以加速度，方向與加速度方向相同）。

而慣性運動與時空的幾何性質直接相關：經典力學中在標準參考系下的慣性運動是勻速直線運動。用廣義相對論的語言說，慣性運動的軌跡是時空幾何上的最短路徑（測地線）。

小球落到正在加速的火箭的地板上（左）和落到地球上（右），處在其中的觀察者會認為這兩種情形下小球的運動軌跡沒有什麼區別

反過來，原則上講也可以通過觀察物體的運動狀態和外力作用（如附加的電磁力或摩擦力等）來判斷物體的慣性運動性質，從而用來定義物體所處的時空幾何。不過，當有引力存在時這種方法會產生一些含糊不清之處：牛頓萬有引力定律以及多個彼此獨立驗證的相關實驗表明，自由落體具有一個普遍性（亦即慣性質量與引力質量等價），即任何測試質量的自由落體的軌跡只和它的初始位置和速度有關，與構成測試質量的材質等無關。

這一性質的一個簡化版本可以通過愛因斯坦的理想實驗來說明，如上圖所示：對於一個處在狹小的封閉空間中的觀察者而言，無法通過觀測落下小球的運動軌跡來判斷自己是處於地面上的地球引力場中，還是處於一艘無引力作用但正在加速的火箭里（加速度等於地球引力場的重力加速度），而由於引力場在空間中存在分布的變化，弱等效原理需要加上局域的條件，即在足夠小的時空區域內引力場中的自由落體運動和均一加速參考系中的慣性運動是完全相同的。

由於自由落體的普遍性，慣性運動（實驗中的火箭內）和在引力場中的運動（實驗中的地面上）是無法通過觀察來區分的。這是在暗示一類新的慣性運動的定義，即在引力作用下的自由落體也屬於慣性運動。

通過這種慣性運動則可以重新定義周圍的時空幾何：從數學來看，引力場中慣性運動的軌跡是彎曲時空的測地線，彎曲時空代表了引力對於物體的軌跡所產生的效應。

從另一個方面可以這樣理解：狹義相對論的建立改變了人們對質量唯一性的觀念，即質量不過是系統能量和動量的一種表現形式，這使得愛因斯坦著手將弱等效原理納入一個更廣泛的框架中：處於封閉空間中的觀察者無論採用什麼測量方法（而不僅限於投擲小球）都無法區分自己是處於引力場還是加速參考系中。

這種概括成為了著名的愛因斯坦等效原理：在足夠小的時空區域中物理定律約化成狹義相對論中的形式；而不可能通過局域的實驗來探測到周圍引力場的存在。

狹義相對論是建立於引力可以被忽略的前提，因此，對於引力可以被忽略的實際案例，這是一個合適的模型。如果考慮引力的存在並假設愛因斯坦等效原理成立，則可知宇宙間不存在全域的慣性系，而只存在跟隨著自由落體的粒子一起運動的局域近似慣性系。

用時空彎曲的語言來說，在無引力作用的慣性系裡的幾條筆直類時世界線，在實際時空中會變得彼此相互彎曲，這意味著引力的引入會改變時空的幾何結構。

所以無論是經典力學還是相對論，對於的慣性和慣性系的深入理解，是非常非常有必要的。現在的初中，高中生，應該對這一塊知識反覆琢磨。

所以關於慣性的本質一定是引力。引力的本源是時空。

且由於能量物質分布的不均勻，時空彎曲的情況是複雜的。這也是我不支持用時空彎曲來解釋引力的原因。這一複雜情況，使得具體物體的引力無法想像。所以引力的本源是時空，而不是時空彎曲。引力是時空的性質。

而且愛氏的場方程從一開始就是四維時空，g_uv是從(3+1)維時空的度量張量。這是正確的理論，符合現在的天文觀測。而一些理論物理學家，為了使得引力納入到量子體系中，將場方程運用到更高維度的空間中。

這我是不贊同，高度懷疑的。具體內容可見第三十四章《宇宙時空的哲學》。這樣做的結果是把問題複雜化，更不利於大統一理論。數學遊戲和實際天體物理不是一回事，高維度本身就不可想像。

· 所以時空的彎曲，是在四維時空中進行的。

摘自獨立學者，詩人，作家，國學起名師靈遁者物理宇宙科普書籍《變化》第三十九章。