苹果落地是因为时空弯曲吗

强力、弱力、电磁力和引力是宇宙中的四种基本力，其中引力最为神秘和难以驾驭

从物理学的观点来说，与天体运动最紧密相关的概念是万有引力。

现代物理学告诉我们，宇宙中存在四种基本力：强力、弱力、电磁力和引力。强力和弱力的作用范围很短（< 10－15厘米），因而只存在于微观世界，人类通过现代科学的帮助才认识了它们；电磁力已成为人类不可或缺的动力来源，并且是文明社会的信息通信之基础；而引力是这四种力中最早被人类所感知，但也最为神秘和难以驾驭，至今还无法将它统一于包括了其它三种力的标准模型中。

人类很早就认识到，地球对自身以及周围一切物体的吸引作用，即重力。但若要发现任何两个物体之间都具有万有引力，就不那么容易了。因为，两个普通物体之间的引力一般来说非常微弱，我们根本不能感知它的存在。

相比较，电磁力就大多了。比如摩擦生电：一个绝缘玻璃棒被稍微摩擦几下，就能够吸引一些轻小的物品。再比如，磁铁对铁质物质的吸引和排斥作用，都是很容易观察到的现象。然而，除了巨大质量的星体之间产生的引力能够被观测到之外，一般物体的引力很难被探测到。

电磁场有电磁波来传递信息，常见的光也是一种电磁波，人类可以产生、接受、控制电磁波，它们已经是某种抓得住、看得见、用得上的东西。可是引力呢？引力波至今仍未被探测到，我们对引力的了解还太

少。

吸引物体下落的力，与使得月亮绕着地球转圈的力是同一种力

据说牛顿因为苹果从树上掉下砸到他头上，而发现了万有引力。不管这个传说真实与否，想必牛顿很早就注意到了物体被地球吸引而下落的事实，从而联想到月亮为什么不会掉下来，继而思考引力问题，认识到吸引物体下落的力，与使得月亮绕着地球转圈的力应该是同一种力。再后来，牛顿于1687年提出了万有引力定律。牛顿点亮了科学的火把，之后，又有了麦克斯韦尔的电磁场理论，经典物理的大厦变得宏伟壮观。

牛顿力学三大定律及万有引力定律为公众所熟知，因为那是中学物理的内容。然而，尽管每个人都知道爱因斯坦的名字，但要问起爱因斯坦对物理学的贡献是什么？或许，很多人都能用一个词汇来回答——相对论。然而，相对论是什么？为什么想到要创立狭义和广义两个相对论呢？这就不是人人都能说出个所以然了。

爱因斯坦生于牛顿逝世150多年之后。有位英国诗人为牛顿写下这样的墓志铭：“上帝说，让牛顿降生吧。于是世界一片光明。”另一位英国诗人，则在后面加上了两句玩笑话：“魔鬼撒旦说，让爱因斯坦出世吧。于是，大地又重新笼罩在黑暗之中。”

爱因斯坦用一篇光电效应的文章，引出了量子的概念。后来，在许许多多物理学家的共同努力下，量子理论得以创立。1905年，爱因斯坦又发表了6篇有影响力的论文，分别引领了三个不同物理学领域的研

究方向。其中，狭义相对论彻底改变了人们的经典时空观。

量子力学和相对论，这两个20世纪物理学的重大革命性进展，与先前牛顿、麦克斯韦尔的经典理论有所不同。经典理论统一和完善之后，带来的貌似是一片晴空；而量子力学和相对论的建立，却带给了物理学家们更多难以解释的困惑与问题。尽管大多数科学家认可这两个理论，人类也已经享受到它们在工业和技术应用中出现的非凡成果，然而对于如何诠释理论本身，至今仍争论不休。

量子力学适合描述微观世界的现象，狭义相对论用于高速运动的系统，这些情境都是远离人们日常生活经验的。因此，这两个新理论需要人们在观念认识上有所突破和飞跃，它们导致了许多与人们的生活经验不相符合的奇怪现象，如量子力学中的“薛定谔的猫”，相对论中的“双生子佯谬”等等。从脱离人类生活直观经验的意义上讲，那位诗人说“大地又重新笼罩在黑暗之中”，不无道理。

广义相对论是描述万有引力的又一个里程碑，是建立天体星系运动模型的基础

1915年，爱因斯坦提出了广义相对论，这是继牛顿之后，描述万有引力的第二个里程碑。这个理论，至今仍然是天体物理及宇宙学中，建立天体星系运动模型以及宇宙演化模型的基础。

不同于牛顿理论中的引力，广义相对论将引力与四维时空的几何性质联系起来。物理学家约翰·惠勒（John Archibald Wheeler）早年曾经

与爱因斯坦一起工作，他曾用这样一句话概括广义相对论：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动”。

这句话的意思是说，时空和物质通过引力场方程联系到了一起。这种联系可以用日常生活中的一个现象来比喻：一个重重的铅球放在橡皮筋绷成的弹性网格上，使橡皮筋网下陷。然后，另外一些小球掉到网上，它们将自然地滚向铅球所在的位置。如何解释小球的这种运动？牛顿引力理论说：小球被铅球的引力所吸引。而广义相对论说，因为铅球造成了它周围空间的弯曲，小球不过是按照时空的弯曲情形运动而已。

天体（或铅球）的质量越大，空间弯曲将会越厉害。大到一定程度，这张绷成的网被撑破，从而形成一个东西全都往下掉、再也捡不起来的“洞”，即为黑洞。

爱因斯坦曾经说：“我想知道上帝是如何设计这个世界的。”我们不妨将“上帝”理解为“大自然”。因此，爱因斯坦提出了科学研究的一个最基本的问题：大自然的秘密是什么？大自然的脉搏如何跳动？大自然在造物时遵循哪些基本原理？爱因斯坦正是遵循这条探索大自然奥秘的道路，提出了等效原理，最后建立了引力场方程。

近年来，随着科学技术的进步、观测方法的改进，宇宙学中的大爆炸理论、黑洞物理、宇宙膨胀，这些与广义相对论密切相关的领域都在蓬勃发展，日新月异、成果不断。它们向物理理论提出了哪些新问题？理论物理、天文学及宇宙学将走向何方？这些都不是容易回答的问题。