苟利军：引力和时空的认识历史（2）

引力最早的提出者是牛顿，他是在17世纪提出来的。大家现在知道的故事是，有一天牛顿坐在苹果树下，正在想问题，突然间一个苹果砸中了他，从而让他意识到了世间的万物之间都存在着相互吸引力，我们把它称之为万有引力。而牛顿的当时对引力有着非常深刻的认识，他认为是质量导致了引力的存在，而且他给出了对应质量所对应的逃逸速度。如果我们要想摆脱地球的引力，就需要具备一定的速度，我们把这个速度叫做逃逸速度，对于我们地球而言，这个速度大约是11公里/秒。如果一个物体的速度超过11公里/秒，那就完全可以摆脱地球的吸引力。现在一些小型的地外探测器的速度都会超过这个速度，这样才能逃脱地球，最终去探寻或者探测其他的星球。

牛顿当时认为，质量导致了引力。同时他对于空间和时间也有着一定的认识。空间是用来描述物体的位置或者说位形的，而时间是描述事件发生的顺序。比如说，我们知道有些事情是昨天发生的，有些事情是今天发生的，就是说时间代表了事件发生的次序。牛顿当时是怎么认识的呢？他认为，时间和空间是绝对的，与物体的运动是没有关系的。这一点他在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书当中就阐述得非常清楚。

总而言之，他认为时空是完全绝对而且相互独立的。尽管我们知道牛顿的万有引力是经典力学的基础，而且完美解释了天体运动非常多的现象，但是后来的众多观测实验发现，牛顿的这种时空观是不对的。1905年，爱因斯坦提出了著名的狭义相对论，在这个理论当中有一点非常关键，他做了一个非常重要的假设，也就是光速不变原理。什么叫做光速不变原理？比如，一个人坐在一列火车上，如果火车的速度是2公里/秒，同时这个人在火车上以1公里/秒的速度跑步，最终地面上的人去看这个火车上的人跑步的速度，应该是两个速度叠加，就是说3公里/秒。但是爱因斯坦提出了与我们的常识不一样的观念，他认为，光速不管在任何的情况之下都是不变的。比如，一个手电在我们静止的时候打开，假设它是最大速度，不考虑一些介质的影响，是以30万公里/秒的速度传播的；另外，如果有一辆汽车，它运动的速度特别快，假设是20万公里/秒，那如果汽车突然把大灯打开了，按照我们已有的经验，旁边静止的人去看打开的大灯的光所传播的速度，应该是20万加30万公里/秒。但是爱因斯坦却说，不管一个物体有没有运动，光最终的传播速度都是30万公里/秒，尽管现在汽车在以20万公里/秒的速度行驶，但是汽车上所产生的光的速度，最终我们观测到的还是30万公里/秒。

图片2

正是因为这个简单的假设，导致上图（图片2）中时间和空间联系到了一起。只有在黄色区域的光椎之内，我们才可以到达或者实现。其他比如绿色的星星的范围，是我们根本没办法到达的，这已经相当于超过了光速。在狭义相对论当中还没有考虑到引力，所以在1905年狭义相对论提出来之后，爱因斯坦就进一步想把引力也完全包含进去。在1915年的时候，他又提出了广义相对论。广义相对论对于引力有了全新的认识，或者说是另外一种跟当时牛顿不太一样的认识。他们认为，是时空的弯曲导致了引力。弯曲的时空产生了加速度，从而产生了引力。