我們都知道牛頓引力統攝宇宙兩百多年，最後在水星問題上栽了跟頭，愛因斯坦的橫空出世，讓昔日光彩奪目的牛頓理論不再輝煌，今天我們就說下牛頓的理論和愛因斯坦的理論哪裡不兼容？也就是說它們的區别到底在哪？

牛頓的引力定律十分簡明、直觀：假如你有任意兩個物體，并将它們任意放在宇宙中的兩個位置，它們之間就會有相互的引力作用，其大小相等，方向相反。如果已知物體的位置和質量數據，隻要将其代入這個定律的公式，就能算出物體受到的引力有多大。這個關于自然規律的定律既清晰又深邃，既适用于地球表面的一切事物，也适用于恒星、行星、衛星、彗星等天體世界，其能力令人驚歎。

但是，無論牛頓定律的推算結果多少次獲得了觀測者們的認同，在關于水星軌道進動的問題上，它卻始終表現得很乏力。當然，誰也不願意輕易斷言牛頓定律錯了。

從17世紀牛頓提出這個定律起，幾百年來，從鐘擺的往複運動到行星及其衛星之間的引潮力，凡是在重力統攝下的物體的運動狀态，幾乎都沒有逃出依據這個定律做出的預測。不過，在推算水星軌道進動時出現的瑕疵，或許為這個定律的局限性揭開了冰山一角。

人們開始猜測，牛頓對宇宙萬物運行機制的整體理解，有可能在最為基礎的層面上存在着值得商榷的地方。其實，隻要敢問敢想，确實能夠發現一些讓牛頓定律顯得有點尴尬的問題，比如：假定太陽突然間不存在了，會發生什麼？這個問題的意思是說，假如把太陽從整個太陽系中乃至整個宇宙中突然移走，各大行星接下來将如何運動？

由于從太陽到地球有大約1 億5千萬千米的路程，光線走完這段路程需要8分鐘多一點的時間，那麼在太陽突然消失之後的8分鐘裡，地球上應該依然陽光普照，誰也不知道太陽沒有了。但是太陽消失之後，重力也應該立刻就消失了，那麼地球和其他行星會不會像剛剛被運動員松開手之後的鍊球那樣，立即脫離公轉軌道，徑直飛向外太空呢？或者，它們仍然會在軌道上正常運行一小會兒，等到太陽引力消失的後果傳到它們身上之後再脫軌？

牛頓定律給出的答案更接近前者，即牛頓假定萬有引力是能夠瞬間傳遞，其傳遞速度是無窮高的，但他拿不出一個足夠嚴格的證明去說明後一種猜測不正确。可以說這是牛頓定律無法徹底解答的一個問題。

狹義相對論被提出之後，我們有了新的可以诘問牛頓的例子。比如，愛因斯坦著名的質能方程表明，質量隻是能量的一種表現形式，那麼這是不是等于在說，能量的其他表現形式也跟質量一樣，可以體現萬有引力的作用呢？一束光可以吸引其他物體，并被其他物體所吸引嗎？牛頓的引力定律對這種問題也無法給出回答。

類似的問題還有：假如一個物體正在相對于另一個物體運動，此時它們之間的引力作用會有什麼變化？或者，仍然與兩者相對保持靜止時沒有區别？狹義相對論指出物體在運動時，其尺度會在運動方向上收縮，那麼此時要計算二者間的引力，距離數值是用因物體收縮而增長了的距離呢（對處于運動物體上的觀察者而言），還是用不考慮收縮效應的距離呢（對處于靜止物體上的觀察者而言）？

同理，運動物體的質量會變大，那麼萬有引力公式中的質量值到底是該用物體靜止時的質量，還是該用因為運動而增加了的質量呢？

除此之外，當兩個物體之間有相對運動時，相互的引力作用會随時間而變化。我們知道，當兩個帶有電荷的粒子之間做這種相對運動時，它們會輻射出能量。那麼，如果“質量”隻是一種承載着引力的“引力荷”，則兩個物體做相對運動時會不會放出引力類的輻射呢？

對自牛頓肇始的引力理論來說，這些出色的問題重如幹鈞，因為牛頓的理論面對這些問題不但不能正确地做出回答，在大多數情況下甚至連一個答複都給不出來！這一理論基于一種假設：宇宙中的物質數量是永恒不變的，處于任何位置的任何物質，在任何時刻都與宇宙中其他的所有物質之間有着相互的引力作用，而且這種作用的傳導速度無限快，不需要時間過程。另外，牛頓雖然沒有明确說過時間和空間也是絕對的、普遍适用的體系，但他的理論無疑間接地支持着這種觀點。

相對論則用“相對”一詞告訴我們：空間中的距離、時間的流逝，這些都不能絕對地計量，它們總是受到物體之間相對運動狀況的影響。牛頓的引力定律無法解釋水星軌道變化問題，自不待言；但從理論上看更為麻煩的是，它所建立的基本觀念，與通過觀察和實驗都被确證了的狹義相對論是不能兼容的。

愛因斯坦認為“引力”和“相對性原理”是物理世界中極為重要的兩個現象，他也非常希望二者能夠變得彼此兼容。但是，要實現這一願望，就意味着物理學體系必須發生變革，意味着需要一個更具有普遍性的關于相對性的理論。

牛頓引力理論中最引人懷疑的地方，大概就是“超距離作用”的觀念了：憑什麼說無論彼此相距多遠的兩個物體（哪怕它們從未彼此接近過）都能立刻給對方施加作用呢？對這種觀念，牛頓隻是起了一個名字action-at-a-distance，并沒有做更多的解答。愛因斯坦對這種狀态顯然感到很不舒服，他試圖找到一種辦法去精确地解釋萬有引力的發生。

狹義相對論的一個重要觀念是：所有物體，包括你和我，不僅都在空間中移動，而且也都在時間中單向移動，這兩種運動是一體的，無法割裂開來。當一個物體相對于另一物體發生移動時，無論從哪個物體上看，另一個物體所處的時間都變慢了（因此所有與時間相關的變化過程也都減緩了）。這些想法催生了一個新的概念“時空”(spacetime)。

以此為基礎更上一層樓之後，就出現了廣義相對論。廣義相對論最關心的問題是：“時空”與宇宙中所有的物質、能量之間到底是一種什麼關系。一旦我們把宇宙萬物在空間中的運動和在時間中的運動統一起來，看作在“時空”中的運動，那麼就需要回答以下兩個非常重大的問題：

• 1、處于時空之中的質量、能量和事物，會給時空造成什麼樣的效應？

• 2、容納着所有質量、能量和事物的時空，會給萬物的運動造成什麼樣的影響？

從1907年到1915年，愛因斯坦用了八年的時間，全力以赴研究這個問題（其間他向許多頂尖的數學家尋求了幫助），最終描繪出了一個邏輯上完全說得通的數理框架，是為“廣義相對論”。這一理論的問世，讓人類眼中的宇宙畫卷發生了全然的改變。

所有物體，包括産生于宇宙空間中的輻射的粒子和量子，在這個新理論裡都是重要的角色。如果沒有它們，時空将是無比平坦的，但也不會有引力存在，即使僅有狹義相對論也足夠解決問題了。但隻要宇宙中存在哪怕一個有質量的粒子，它作為能量的一個極其微小的顯現，也将讓時空不再那麼簡單。其實，能量以任何形式的顯現，不論是以物質形式還是以輻射形式，或者以某些更加奇特的形式，都會切實地改變時空的結構。

換句話說，空間和時間再也不像牛頓眼中的宇宙那樣是恒定、靜态、不變的度量體系。空間當然可以保持不變，但也可能延展或收縮，這取決于一系列物理變量。靜止的東西沒有必要再被視為靜止的，而運動的東西也不必永遠被視為運動的了：廣義相對論說，所有物體都隻沿着被彎曲了的時空而運動，而時空如何彎曲，則取決于我們這個宇宙中各種物質和能量當前是如何分布的。

按此理論，行星繞太陽運轉并不是因為有某種看不見、摸不着的超距離作用牽引着，而是因為太陽系内的時空的肌理彎曲以太陽為中心。而我們感受到的重力作用也不是能夠無限快地瞬間傳遞了，它傳遞的速度最快也無法超過光速。我們不妨把太陽系的空間和時間看作一張平整的床單（即二維的），任何具有一定質量（能量）的物體，如太陽、大行星、衛星、小行星等，都會在床單表面壓出凹陷，從而改變床單的形狀，這種改變會讓我們感受到引力。

當然，在三維空間中想象這些可能會有點吃力，但原理其實完全沒變：宇宙中所有具有質量或（和）能量的事物都會讓時空扭曲變形，從而影響和改變其他所有事物承受的引力作用。以上就是牛頓引力和相對論的不同之處。

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