彎曲時空

06-28

彎曲時空----摘自《黑洞》

我相信，單純的思考足以了解世界觀

　　　　　　　　　　　　　　 ——阿爾伯特·愛因斯坦

愛因斯坦在1905年既復活了光的微粒說，又維護了麥克斯韋電磁理論的正確性，但是他發覺自己進退維谷。關於輻射的這兩個概念是相互矛盾的：如果光是由粒子組成，那麼按照萬有引力定律，它就會受別的物質影響，果若如此，光速又怎能如狹義相對論要求的那樣是絕對恆星呢？

這個矛盾當然應歸根於引力。引力在宇宙中無處不有，並使所有物質加速，而狹義相對論的慣性系是嚴格地沒有加速度的。愛因斯坦很清楚這個癥結，並認識到，要使引力能與狹義相對論的電磁時空相協調，首先必須重新理解「力」的概念本身。

牛頓萬有引力定律要求一切物體都具有一種稱為引力質量的內在屬性，用以量度每個物體所能產生的引力。此外，牛頓還用三個基本定律概括了物體在任何力（引力或別的力）作用下的行為。第一定律簡單地說就是笛卡兒的慣性原理：不受力的物體保持靜止或作勻速直線運動；第二定律規定使一個物體加速的力與物體的加速度和質量都成正比（即人們熟知的公式F＝ma）；第三定律陳述作用與反作用的平等性：每一個力（例如人推牆的力）都伴之以一個大小相等、方向相反的力（牆也推人）。所以，牛頓的力是使物體偏離其慣性運動的原因。物體總是反抗對其慣性狀態的改變，這種反抗由其慣性質量來量度。按照這個思路，萬有引力同其他任何力一樣，也是一種力，而引力質量之於引力恰如電荷之於電力。

我們知道，慣性質量相同而帶電荷不同的物體在同一電場中受到不同的加速，因而在牛頓理論中就沒有理由認為引力質量和慣性質量必定相等。但是，伽利略和牛頓所觀察到的引力的基本性質，正是地心引力同樣地加速所有物體，而與物體的慣性質量或引力質量、體積以及化學性質都無關。一片羽毛、一個分子或是一塊磚，在地球表面附近釋放後都同樣具有約9.8米／秒的加速度（也就是說，假如沒有空氣阻力，它們的速度每秒鐘都增加9.8米／秒，在第一秒末是9.8米／秒，在第二秒末是19.6米／秒，等等。這個恆定的加速度正是地球表面的引力加速度）。

這意味著，不僅根本不存在「引力中性」的物體，而且所有物體都具有完全一樣的相應引力荷。這隻有在引力質量與慣性質量嚴格相等時才可能。這種相等性於是被接受為一條公理，稱為等效原理。這種相等起初被認為只是近似的，後來卻經受住了整個科學史上最高精度的核查。

匈牙利男爵羅蘭?萬?厄伍（Lorandvon E6tvbs）先在1889年，後又在1922年對等效原理作了驗證，精度達十億分之一。現在，檢驗精度已經提高了1000倍。由於一個物體中的所有能量都對慣性質量有貢獻（把電子和核束縛在原子中的電磁能就很顯然），我們就能得出結論：所有能量都有重量，尤其是，光也有重量。

愛因斯坦意識到，等效原理是理解引力的關鍵。引力與電磁力大不相同，包括進引力，將給狹義相對論帶來實質性的擴充。讓我們來進一步考慮等效原理的物理意義。

在愛因斯坦看來，引力質量與慣性的等效只是一個更強得多的等效性的弱形式，而強等效性是把均勻引力和加速統一起來。愛因斯坦指出：

1.任何加速都相當於引力:一個坐在加速度與地心引力（即g＝9.8米／秒』）相等的飛船里的人感覺不出與站在地面上有什麼區別。

2.引力的作用可以通過選擇一個適當的加速參考系來消除。他的著名例子是一架突然斷了纜繩的電梯，其中的人將覺得失重，與在太空中已脫離地球引力的人的感覺一樣。我們在這裡看到引力與自然界所有其他的力（如電力）之間的巨大差異。不可能用加速來冒充電力，因為一個電場中的物體並不受到同樣的加速，加速度與物體的電荷有關。準確地說，引力實際上不是一種作用於時空中的不同物體之間的力，而是時空自身的一種性質。引力對人們早已熟悉的時空結構摧毀性地入侵的結果，就是廣義相對論。