爱因斯坦在床单上解释万有引力的本质 | 王木头讲科学

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今天是王木头讲科学的第4期节目。

来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人，他最擅长给孩子讲有趣的科学。

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虽然牛顿的万有引力定律给出了一个可行的规律来解释重力，但是他却没能解释重力产生的原因。直到爱因斯坦提出了广义相对论，人们才了解到，原来重力的产生是因为空间被弯曲了。

同学们家长们大家好，我们继续来讲相对论了。

在差不多100年前的1919年5月底，地点是在西非一座叫做普林西比岛的上面。下午3点多钟，天忽然暗了下来。并不是有云彩从天空中飞过，而一个更加巨大的东西挡住了太阳。那就是月球。没错，这是日食。

当时所有的人都抬起头来看着这个天文奇观，可是却有一个人站在一个架子面前摆弄着什么。这个人是亚瑟·爱丁顿，一位有名的科学家，当时他正忙着给照相机更换感光片。也就是说，他在给日食拍照。

爱丁顿是爱因斯坦相对论的拥护者，在相对论还没有被主流科学家所接受的时候，他就已经相信，并且主动传播相对论。有关他和相对论还有这样一个笑话。爱因斯坦发布广义相对论不久。就有记者采访爱丁顿说：“听说世界上只有3个人懂广义相对论，而且您就是其中一个。”爱丁顿沉思了很久都没有回答，记者还以为爱丁顿在谦虚，所以又补充问到：“您一定是懂广义相对论的，对吧？”没想到他却回答说：“是的，其实我正在想那第三个人是谁。”

这段小故事的流传不是没有缘由的。这一次爱丁顿长途跋涉，从英国到非洲来观测日食，就是为了证明爱因斯坦的广义相对论。因为爱因斯坦指出一个有关引力的特别现象，而这些现象还没有办法用牛顿的万有引力定律来解释。这次日食就是证明爱因斯坦最好的时机。

牛顿在解释万有引力到底是什么的时候，非常的偷懒。他说，这是物体所固有的，只要有一个物体有重量，那么它就有万有引力。在他总结出来的计算引力大小的公式中也可以看出来，两个物体相互吸引，只要它们的距离不变，其中任何一个物体的重量增加，吸引力都会增加。

咋一看会觉得，这么讲没毛病啊。但是你仔细想想，如果这个物体没有重量会如何呢？就没有吸引力了吗？或许你会说啊，哪有没有重量的东西，就连空气都有重量，只不过是非常非常轻罢了。真的是这样吗？我说一个东西，你看看它有没有重量——那就是光线。光线有重量吗？

光线没有重量。没有重量还会受到万有引力吸引吗？爱因斯坦说会的。爱丁顿观察日食，就是为了能够证明光线是会被太阳巨大的引力吸引而发生偏转。所以，这次观察的主角根本不是那个被挡住了光芒的太阳，而是太阳旁边的星星。

本来星星的光芒会直直的照到地球上来，但是这次很不凑巧，光线经过了太阳的旁边。于是太阳光会吸着这个光线发生了偏转，从另外一个角度射向了地球。这个时候我们如果再去看这个星星的话，会发现它会比正常情况偏移了那么一点点。就像是把筷子插在水中，水下的光线发生了折射。

不过要想看到这一点就太难了，因为旁边可是有太阳的。太阳强烈的光芒可以遮挡住任何的星星。所以，日食才会是绝佳的机会。只需要把日食发生时旁边的星空拍下来，然后再拿出来没有太阳时星空的照片进行对比。只要星星的位置发生了变化，那么就表明太阳的确会吸引星光，即使光线没有重量。结果，爱丁顿的观测证明了爱因斯坦是对的，星光偏移了。

在这个问题上牛顿可就解释不了了，这就需要请出我们这个系列的主角——爱因斯坦。爱因斯坦为了给你解释清楚万有引力到底是如何产生的，他会在他床上放一个大铅球，然后还会告诉你，你看这就是太阳。这个铅球太阳很重，会把爱因斯坦的弹簧床压得凹陷下去。然后，他又会举起一颗蓝色的玻璃球，告诉你，这个就是我们的地球。紧接着就把我们的玻璃地球抛在了床上。这颗玻璃球就会开始绕着铅球转了起来。最后，玻璃球转几圈之后就会滚到铅球压下的大坑里面，和铅球碰撞一起。

这一切做完之后，爱因斯坦还会让你去想象：现在啊，玻璃球与床单以及空气是有摩擦力的，所以会旋转地原来越慢，最后碰到了铅球。如果没有摩擦力会如何呢？玻璃球是不是会绕着铅球一直旋转下去呢？这是不是就非常像我们的地球绕着太阳不停地旋转啦。

太阳在宇宙中也是会压出一个大坑的，只不过这个大坑不是在床上而是空间本身。其实不只是太阳，任何物体只要有重量，都会扭曲空间，使空间凹陷。而且还是越重的物体，扭曲空间越严重，凹陷地越深，这样其他物体就越是容易围绕着它旋转，甚至被它“吸”过去。而万有引力，本质上就是空间扭曲后给人们产生的错觉。

下面有张图，就是太阳扭曲了空间，地球围绕它旋转的示意图。我在最后还准备了一个视频，是一位老师给他的学生演示爱因斯坦在床上做的实验。大家可以看一下。

总之，爱因斯坦解答了牛顿解答不了的问题。万有引力只是我们的错觉，本质上是有重量的物体把宇宙空间给扭曲了。这样子的话，就可以很好的解释光线为什么也会被太阳所扭转。光线虽然没有重量，但是会经过空间，既然空间都被扭曲了，那它是无论如何都逃不过去了，肯定是会被吸引扭曲的。

这是太阳，重量还不够大，只是把空间这个床单压了一个凹槽。要是黑洞在宇宙空间中，它就会像是用一个极重极重球压在的床单上，直接把床压出一个窟窿来，通向未知的地方。这也是为什么光线被黑洞吸收之后再也跑不出来的原因，因为它会从这个窟窿里跑走，离开我们的宇宙空间。

这就是爱因斯坦认为的万有引力的本质了。按照他的理论，的确可以解释为什么光线没有重量还是可以被太阳吸引。可是对于我们，仍然有很多的奥秘还没有被揭开。为什么越是靠近黑洞，时间就会过的越慢？为什么重量会让空间扭曲？空间扭曲又会是什么样子的？真的和那个被压下去的床单一样吗？

要想解释清楚这些事情，那就需要讲一个很长很长的故事了。这一切的关键都在于一点，那就是光速。不过在讲光速的故事之前，我们还是要先来解释一下，相对论为什么会叫做相对论呢？你知道相对论还分为狭义相对论和广义相对论吗？这就是我们下一次的内容了。

好了最后是那个床单实验的视频，大家可以来看一下。

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最后的最后，我需要解释一件事情。这其实是给家长们讲的，尤其是熟悉相对论的家长。上面提到的牛顿的万有引力定律，没有办法预测光线偏转。这在历史上并不是真实的，这个地方是不严谨的。的确有更早科学家利用牛顿的理论计算了光线偏转角度，只不过这个角度和爱因斯坦预测的角度相比，少了一半还多。爱丁顿最后观察，其实是看哪个更符合实际情况。最后爱因斯坦获胜，当然这其中还涉及到爱丁顿学术造假的争论，这就是另外一个故事了。

不过呢，当时用牛顿的理论计算光线的偏转，有个前提是错的，他们把光当做是有重量的小颗粒了。所以才可以用牛顿的万有引力定律去计算。而我们现在知道光子的静速度的确是0，直接用牛顿的理论的确是抓瞎。不过有涉及到另外一个问题，就是按照相对论的质能方程，光子是有运动质量的。能不能用光子的运动质量去套在牛顿的理论里面我自己是不清楚的，如果听众里面有牛人，跪求解惑。

我毕竟是在做科普，不是学术研究，就需要在易懂性和准确性上做一些取舍。多番考虑之后，感觉现在这么讲前后并没有致命的逻辑和知识点问题，以至于会让孩子们对相对论产生错误的理解。所以这里就先用了这种不严谨的表述。等到后面，讲完光的本质和质能方程，我会回头再来补这个坑的。

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