讓愛因斯坦尷尬了一小會兒的牛頓萬有引力 | 王木頭講科學
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今天是王木頭講科學的第18期節目。
來自北京大學的木頭哥哥是把科學帶回家的明星主持人，他最擅長給孩子講有趣的科學。
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我們知道，光的速度有限的，不會有任何的信息能以超光速進行傳遞。可是一想到牛頓的萬有引力愛因斯坦就感覺到尷尬了。大家可以想想看，牛頓是怎麼理解萬有引力的？大家還記得我們前面講過的引力大小和距離有個平方反比的關係嗎？只需要知道了距離，然後再知道兩個物體的重量，準確的說是質量，那麼這個吸引力的大小就可以得到確定。
你肯定會說了，沒錯是這樣的，可是這就能讓愛因斯坦感覺到尷尬嗎？大家可以注意一下，牛頓的理論裡面，引力的大小是和時間沒有關係的。和時間無關，這可就麻煩了。大家想想看，我們地球繞著太陽轉是因為太陽吸引著地球，可是如果突然把太陽拿走了會如何呢？牛頓肯定會這麼認為的：因為引力的大小和時間無關，既然太陽突然消失了，那地球就會像脫手的鏈球立刻就飛出去了。也就是說，地球會立即感覺到引力消失。
如果真的是這樣的話，那就可以做出超光速通信的設備來了。怎麼做呢？需要兩個東西，一邊一個，一個是發送器，一個是接收器。發送器很簡單，只要拿著一個重東西前後移動就可以，因為距離接收器的距離發生了變化，所以接收器就能感覺到引力的變化。這樣就可以通過發電報的方式傳遞消息了。
接收器呢會複雜一些，因為引力本來就比較弱，所以就需要接收器靈敏度非常高，發送器稍微有些變化都可以感受到。按照牛頓的想法，引力會超遠距離，不花費時間地進行傳遞，所以發送器發出信息，不論多遠瞬間就會被接收器接收到，這就超光速了。
1905年愛因斯坦最開始公布的相對論，是解釋不了這個問題的。所以只能是先尷尬地假設在沒有重力的情況下相對論有效。可是這怎麼能行呢？宇宙中到處都有重力，怎麼能不考慮呢？所以愛因斯坦並沒有停止腳步，又用了10年把重力的情況考慮了進去，對原來的理論提出了擴充。於是才有了後來的狹義相對論和廣義相對論之分。
狹義相對論因為沒有考慮重力的情況，所以一般是用在電磁領域。通常情況下重力對電和磁的影響不大，這樣去考慮會讓很多問題大大簡化，方便計算和應用。而廣義相對論則用來研究宇宙空間，還有重力非常強的天體，比如黑洞。
電影《星際穿越》中的巨大黑洞卡岡多亞
我們在第4期內容裡面講到過的，愛丁頓觀察太陽日食來就是來驗證廣義相對論的。經過廣義相對論修正之後，重力大小就和牛頓的理論就出現了差別。而且愛因斯坦還用這個差別解釋了一件讓人覺得很奇怪的現象。
這是一個天文學的問題，差點讓水星不再是距離太陽最近的行星了。這是因為天文學家們發現，水星的軌道有些奇怪。如果是按照牛頓的理論，水星的軌道計算出來應該是一個穩定的橢圓形，可是實際的觀察卻出現了偏差。水星就像是一個快要摔倒了的陀螺一樣，每次繞太陽一圈就會和之前的位置偏離那麼一點點。大家可以看一下下面這個圖，就是這個樣子的。
這種類似的情況以前也曾經出現過，那一次是天王星的軌道和計算出來的結果出現了偏差，結果呢，科學家們就推測在它的外面還有一顆大行星，因為這顆行星的引力才影響了天王星的軌道。可是這顆行星太遠了，很難通過望遠鏡直接定位發現它。
後來還是在數學家的幫助下，先通過計算確定了它在天空中的位置，然後才用望遠鏡觀察到了它。其實這也是唯一一次用數學來幫助天文學家找到行星的情況。
難道這次水星軌道的異常也是這樣嗎？會不會是因為一個從來沒有被發現的行星隱藏在水星軌道的更裡面，而正是它影響了水星軌道。
有一些科學很興奮，覺得機會來了，如果自己能找到這顆行星的話，那就是又一次用數學指導了天文發現。他們還很正式地給這顆未知的星球起了名字，叫做火神星。估計是想到了距離太陽這麼近，比水星還近，那溫度一定是非常熱的，叫火神星很恰當。
可是，當愛因斯坦把廣義相對論發表出來之後就徹底地否定了火神星的存在。水星會出現這樣的情況，只是因為牛頓有關重力的理論出現了瑕疵。
廣義相對論就從壓縮空間的角度解釋了水星這種情況是正常的，根本就沒有什麼火神星在影響它。而廣義相對論在大多數情況下和牛頓的萬有引力理論是差不多的，不同的地方有，只不過非常少。只有當其中一個物體的重量特別大，並且還距離比較近的情況下，才會和牛頓理論出現偏差。平時這一點根本就不需要考慮，就比如太陽系中的其他行星，只有水星因為距離太陽太近了才觀察到了這樣的偏差。
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