第十四章 力 【１０９】

愛因斯坦的廣義相對論，是用物質影響空間的幾何性質來解釋引力的，即引力不像其它種類的力，而只不過是空間——時間不是平坦的這一事實的後果。時空彎曲是產生萬有引力的原因。引力場便是據此建立起來的。愛因斯坦在廣義相對論中引進了一種嶄新的觀念，即引力不僅僅是在一個固定的時空背景里作用的力。相反引力是由在時空中物質和能量引起的時空畸變，這也就意味著引力已經是幾何性質的東西了。

按照相對論的解釋，譬如當物質想沿直線穿越時空時，由於時空是彎曲的並不是平坦的，所以它們的路徑就被彎折了。同理，地球沿橢圓軌跡繞太陽公轉的原因也是由於太陽質量產生的時空曲率，迫使原想沿著直線穿越時空的地球不得不按此曲線的測地線行走。引力在小質量物質作用時往往微弱到難以覺察的程度，而在大質量的宇宙天體中卻顯示出不可忽視的威力，甚至連光在太陽附近的時空曲率作用下也別想直線通過，只能沿著測地線這樣的曲線前進。這曾經是愛因斯坦的一個著名的預言，並在1919年由英國的一支科學探險隊，在完成了對日食的觀察后證實了這一預言。廣義相對論將引力是解釋為「四維時空的彎曲。」

順帶說一下，在廣義相對論對引力的概念中，萬有引力的傳播速度，已不再是超光速的無限速度，而是符合相對論的在以光速傳播了。實質上廣義相對論暗示著：在理論物理學中建立的最為成功的一個分支——牛頓萬有引力犯了一個根本性的錯誤或者說它並不完整。這是這新舊兩種理論中比較大的不同點。

在愛因斯坦廣義相對論中指出運動的物體，產生在空間傳播的引力場形成引力波。但是它關於引力本質的幾何解釋卻難以使科學家們信服。量子理論科學家們引入引力場量子理論——「引力子」理論，想如同電磁場量子理論一樣，將物質間的相互作用解釋為是通過交換電磁場量子——光子來實現。把引力場量子叫做引力子，引力子也具有波粒二象性。實質上是想將引力也納入量子理論範疇。

並且人們一直力求通過探測引力波的存在來證實引力場理論。但由於萬有引力實在太弱小了，相應的引力子的能量比光子還要小得多，目前根本沒有辦法探測到。人們也試圖設計能發射引力波的裝置。總之研究引力波對進一步認識物質及能量的結構和本性，促進科學技術的發展有著極其重要的意義。這也是在本文中將引力重點突出的原因。它有著歸於相對論中而不同於其它納入量子理論中的力的特點，由於它在相對論中幾何特性的解釋，使得它無法用量子理論「重整化」方法來進行類似其它三種力一樣的推演。因而在目前量子理論中探索的大統一理論中並不包括引力。

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