引力的困惑：物质为何弯曲时空？
|||
引力是人类所发现和研究最早的一种力，然而，它却是所有力中最为神秘的。尽管引力看不见，也摸不到，但它却存在于所有物体之间，不论它是硕大的星球，还是微小的粒子。正是引力将你牢牢地吸在地球上！那么，引力是什么呢？它又是怎样产生的呢？1687年，牛顿首先系统地表述了引力的规律，即万有引力定律。根据这一定律，所有物体之间都存在一种吸引力，这种力的强度正比于物体的质量，反比于物体间距离的平方。但是，牛顿的引力定律并没有告诉我们引力的本质，而只是描述了它的规律。用牛顿自己那句著名的话来辩解就是，“我不做假设。”
然而，即使对于引力的规律，牛顿的定律也引起了广泛的争议。争议的主题就是它赋予引力的瞬时传递性。根据这一定律，一个物体对另一个物体的引力影响是瞬时的，不需要任何传播时间。实际上，即使牛顿本人也感觉到这种不通过媒介传播的瞬时影响难以接受。他在给一位朋友的信中写道，“对物质来说，引力应当是固有的、内在的和基本的，所以一个物体可以通过真空超距地作用于另一个物体，而不通过任何其他的东西作为媒介，这种媒介用来在物质之间传递作用和力。这种观点在我看来是如此荒谬，以至于我认为任何一个具有正常思维能力的人都不会相信它。”[注1] 然而，牛顿仍然无法解释，一个物体对另一个远离的物体是如何施加引力作用的。
1905年，当爱因斯坦创立狭义相对论之后，事情变得更清楚了。根据相对论，任何相互作用都是局域的，并且其传递速度不能超过光速。因此，牛顿引力理论只能是一种近似理论，引力应当是以有限速度传递的，而不是瞬时的。于是，人们需要找到一种与相对论相容的新的引力理论。1915年，还是爱因斯坦，发现了“一生中最快乐的思想”，那就是被称为广义相对论的引力理论。这个新的引力理论无论在逻辑的简单性、数学的优美性，还是在与实验的一致性上都是科学理论的典范，它也是目前最成功的（经典）引力理论。广义相对论的确对引力的本质问题给出了一个答案，并且是一个最不可思议的答案，那就是：引力根本不是一种力，它是时空的弯曲！这是一次巨大的认识飞跃，它使人们更深刻地理解了时空与物质运动之间的微妙关系。时空不再是固定不变的，它由物质运动动态地决定，尤其是物质的存在将使时空弯曲。
爱因斯坦是如何获得这个答案的呢？人们很早就知道，所有物质都具有两种质量，一种是惯性质量，另一种是引力质量。惯性质量出现在牛顿第二定律F = m a中，它通过力和加速度来定义和测量。惯性质量是物质惯性的量度，反映物质对加速度的抵抗程度；引力质量则出现在牛顿的万有引力定律中，它通过力和距离来定义和测量。引力质量是物质引力性质的量度，反映物质产生和承受引力的强弱程度。物质的这两种性质从本质上看似乎是完全不同的。例如，“地球通过引力吸引石头而对其惯性质量一无所知，它的“召唤”力与引力质量有关，而石头所回答的运动则与惯性质量有关。” 然而，大量精确的实验却显示，物质的引力质量同它的惯性质量是相等的。这种相等是偶然的巧合，还是有更深原因的必然？爱因斯坦认为它绝不是一种巧合，并因此窥见了引力的本质。根据牛顿定律，如果引力质量与惯性质量相等，那么不同质量的物体在引力场中将以相同的加速度下落，从而引力场（在局部区域）将等效于一个加速参照系。这被称为等效原理 [注2]。另一方面，考虑到狭义相对论的尺度收缩和时间膨胀效应，从一个加速参照系中观察时，其中的时空不再是平直的欧几里得时空，而是弯曲的非欧几里得时空。因此，爱因斯坦发现，引力等价于时空的弯曲，或者说，引力就是时空的弯曲！
那么物质为何会导致时空弯曲呢（Why matter curves spacetime）？这个问题广义相对论没有回答，爱因斯坦后来也没有给出答案。最近我提出了一个启发性的观点（见更新的论证），认为物质弯曲时空可能是时空分立性（与量子不确定关系结合）的要求。这一想法或许能为广义相对论提供一个更深的理论基础。
注1：牛顿致本特利（Richard Bentley），1693年2月25日。
注2：严格地说，等效原理有两种：弱等效原理和强等效原理。弱等效原理认为，惯性力与引力的加速效应是局域等效的。这一原理有惯性质量与引力质量相等的实验支持；强等效原理则断言，惯性力与引力的所有效应都是局域等效的。这一原理是对弱等效原理的推广，它是广义相对论所基于的等效原理形式。这一原理还可以表述为：在引力场中的任意时空点，总可以建立一个自由落体的局域参照系，其中符合狭义相对论的物理规律全部有效，即这一参照系与惯性系不可区分。
