苟利军：引力和时空的认识历史（3）

我们在日常生活当中或许会有这样的印象，不同质量的物体放到一个平直的橡胶膜上的时候，对于橡胶膜所造成的弯曲是不太一样的。质量比较大，造成的弯曲就比较大；如果质量比较小，那造成的弯曲肯定就比较小了。

图片3

那同样的，我们可以想象，宇宙也是由时空构成的，不同质量的天体也会造成时空的弯曲。在这里（图片3）列出来的三个天体——太阳、中子星、黑洞，它们的质量是不太一样的。黑洞密度最大的，所以最终它造成的弯曲是最明显的。如果有一个物体在这个弯曲的空间上运动，那自然就会感受到这个弯曲空间所造成的加速度，从而表现为所谓的引力。这就是爱因斯坦在广义相对论当中所提到的等效原理。也就是说，重力场（一个质量所导致的引力）和适当加速度运动所产生的引力，这两者之间是等效的，我们是不能够区分出来的。

图片4

下面是一个简单的例子。比如上图（图片4），有一个物体，它对于时空造成了弯曲，那周围我们放置一些不同的物体的时候，它是怎么运动的呢？尽管这些物体是想沿着它想象当中的直线去运动，但是因为空间是弯曲的，所以最终它会表现为围绕着这个天体在运动。这就是我们所知道的万有引力，比如说地球围绕着太阳运动。这其实是因为太阳造成了这个时空的弯曲，尽管地球在每一时刻都想沿着一个直线去运动，但最终表现出来的就是一条曲线。在这里有一个测地线，因为直线其实并非在弯曲空间当中最短的距离，而在弯曲空间当中最短的距离，我们称之为测地线，测地线其实往往是弯曲的。怎么理解呢？比如要从北京到纽约，最短的距离并不是任何一条直线，最短的距离是沿着地球的大圆圈上的一小段，我们想象是一条直线，但是如果把最终经过的路线投影到一个二维的平面上去看，就会看到这个最短的距离其实是一条曲线。这个曲线其实就是指测地线。