引力与超人
超人与引力
问一个四岁的小孩，引力强还是超人强，他或许会毫无不犹豫地说超人强，因为他在得到通知的一瞬间就能脱离地球引力的范围。这是一个小孩的回答，如果问我的同龄人这个问题，你们会回答什么？在正式回答这个问题之前，让我们先看个玩笑。
愚人节刚刚过去不久 ，我也见到了不少令人捧腹的恶作剧，现在让我们从物理的角度，看看能做出什么更加有趣的恶作剧。假设条件允许，把你最想恶搞的人施一片安眠药然后把她放在一个大盒子中，盒子中摆好家具，看起来和他的起居室一模一样。然后从一个高飞的飞机中将盒子投下。当他起来时，他会觉得自己在漂浮。从一个地面上的观测者来看，他和他的起居室正去和地面赴一个死亡约会。假设这个盒子不能往外看，他自己会丝毫察觉不到自己在下落，他踩了地板一下，只会发现自己飘向天花板。但地面上的观测者却给出了完全不同的解释，他踏了一下地板，稍微减少了他的速度，同时增加了盒子的下落速度。他只会感到自己在漂浮，却不知道他的下冲加速度还和原来一样。
你可能表示怀疑，一个下落的人怎么会不知道自己在下落？！如果我从飞机上掉下来，即使我是在一个盒子里，我也会感到重力再把我往下拉。我会很容易消除你的怀疑：这个看似夸张的恶作剧已经被实践过了，而且就在电视上。没错，你一定在电视上看过宇航员在他们绕地飞行的飞船中的姿态吧。
有人还会反对，飞船是绕地飞行，而不是在自由下落。好吧，如果你这样想，今天我有可能改变了你的世界观：绕行的飞船之所以能留在空中，就是因为它在下落。
这里有个很大的，经常遇到的错误概念，正如有的电视播音员所说：因为太空中没有引力所以宇航员能够漂浮。对么？这纯属胡扯。众所周知，引力与距离的二次方成反比，地球半径约为4000英里，假设一般飞船离地100英里，这时距地心的距离离增加了2.5%，所以他的引力为（4000/4100）^2，约为95%。这也就是说，作用在飞船上的力几乎和他们停在地面上一样强。所以宇航员在下落，他们感受不到下落是因为他们周围所以物体同样在下落。换句话说，飞船没下落一个距离，地面就配合地逃开一个距离，即它通过自由下落来达到留在空中的目的。同理，那个被恶搞的人也在下落，他感受不到下落是因为他起居室中的物品一起在下落。因为他彻彻底底会上当。
引力的普适性
为了更详尽的了解引力，我们重新回到那个愚人节的玩笑。要想恶作剧得以实现，必须所有物体以同样的速度下落。与此相反，盒子落得快，他会在天花板上，他将感到有力在把他往上拉；盒子下落得慢，他则贴在地板上，他将感到有力再把他拉倒。极端情况是盒子根本不落，这就是我们所在的房屋的情况。幸好有引力，我们的恶作剧才得以成功。物理学家就把不同物体对引力的同样响应叫做引力的普适性。
于此形成鲜明对比的是电磁力，它就不具有普适性。关于其他力的描述就此打住，让我们追踪那个愚人节玩笑，一个人下落但他不知道自己在下落是因为周围物体以同样的速度下落，换句话说是因为普适性。嘿等一下，我们能反过来说么，因为下落的人感受不到下落，所以引力必须是普适的。一定意义上，下落抵消了引力；如果我反过来往上冲，我能产生引力，对么？不知不觉，我们已经和爱因斯坦的思维接近了。
为了理解爱因斯坦想什么，我们需要假想一个更夸张的玩笑，把我们的一个朋友麻醉并放入盒子中，将他带入星际空间，远离任何引力场。现在给机器加油，是装置得到常数的加速度。当他醒来时，根本不会感到不平常。这次没有漂浮的感觉，他扔下的东西也会掉落，但对外观测者来说，扔下的东西并没有动，只是盒子的地面冲了上来。可是我们在盒子中的朋友却认为他在引力场中。这就是说，引力和加速度等价。OK，我们已经掌握了爱因斯坦的等价理论。
等价原理
等价原理是这样叙述的；在空间中一个足够小的区域内，一个观测者所感到的引力场的物理效应和另一个观测者在无引力条件下做匀加速运动时的报告没有区别。至于为什么是足够小的区域，这涉及幻象与现实的对比以及微积分的基本知识，我个人也基本不会，所以这里不做详细解释。下面来说等价原理的重要推论：
一.引力使光线弯曲：光会下落么？至少牛顿不这么认为，他认为光是由粒子组成的，这显然是片面的。爱因斯坦决定性地解决了问题，从而展示了等价原理的威力。想懂得这一点，还要麻烦我们的朋友（如果他还认为是我朋友），他丝毫没意识到他在深度空间做加速运动。他在玩一个激光游戏，一打开激光器，发现光束竟越来越接近地板！他很吃惊，得出结论：光会下落。但实际上他又被骗了。光并没有下落，只是地板在往上冲。但根据等价原理，在深度空间做加速运动的盒子和引力场中的盒子是一样的，所以我们可以得出结论：引力使光线弯曲。
二.引力使时间弯曲：设想引力场中有两个不同位置的观测者，一个在地面，一个在塔顶。地面的观测者每秒向塔顶的观测者发射一个光脉冲信号，塔顶观测者测量两个信号的时间间隔——他们在比较时间流逝的快慢。把这个情景移入深度空间，我们很容易能判断出发生了什么。一个光脉冲在冲向塔顶时，塔顶却快速地原理，这造成观测的时间不同。等价原理告诉我们，虽然他们距离相同，都坐着不动，但他们看到时间的不同流逝。这就是引力使时间弯曲的内容，虽然使人惊讶，但却不像科幻小说中所述的那样神奇。
三.引力使空间弯曲：要理解什么是空间弯曲，先想想什么是二维平面的弯曲。很显然，画一个三角形，如果内角和不等于180度，那这就是个弯曲的平面。同理，我们只需要在空间中画个三角形，观测内角和是否等于180度就OK了。如下图所示，选择两个星体，光线从他们发出，经过太阳时发生弯曲，进入人眼，显然内角和不为180度。等等，你会说，这不是三角形啊，三条边并不是直线。可惜的是，我们仅仅知道一个定义直线的方法：一束光的明亮径迹。如此定义的直线是两点间的最短距离。所以我们又得出一个结论：我们所处的空间是弯曲的。
空间和时间的曲率是爱因斯坦引力理论的核心，引力场弯曲了时间和空间。从真正的意义上说，空间和时间的曲率就是引力场。再把我们的朋友请出来，把他放在高塔上，让他观测下面两个孩子在玩弹球。奇怪的是，他发现小球在一点周围移动，接近它加速，远离它减速，于是他得出结论：这一点有奇特的力，拽住小球在其周围做椭圆运动。可把他放下来，他会发现，其实那个神秘的中心有一个凹陷，好吧，一切得以解决。突然间我们明白了，我们感受到引力是因为有质量的物体使它周围空间和时间弯曲，临近的物体感受到了曲率，就趋近这个物体。再深奥的东西我也不懂，所以就此打住了。
牛顿与爱因斯坦
在理解引力牛顿理论与爱因斯坦理论最大的不同前，我们还要讨论爱因斯坦的另一大发现，质量和能量实际上是一回事，即E=mc^2，他证明质量可以转换为能量，反之亦可。所以能量和质量都可以产生引力场，这是两种理论的重要区别。牛顿认为有质量的物体在其周围产生引力场，而爱因斯坦理论要复杂的多，简言之就是质量产生引力场，引力场具有能量，继续产生附加引力场，接着继续产生附加的附加引力场，知道正无穷。因为平常物体所产生的引力场能量比较低，所以这两种理论就没什么区别。但在黑洞中就不一样了。
引力与超人
回到最初的那个话题，引力强还是超人强？在黑洞周围，附加引力场叠加起来，使时间空间极度弯曲，粗略地说，它把空间与时间的织构的网撕得粉碎，坍塌的星体被挤压到不再作为一个星体而存在。一旦落入黑洞，即使超人也无法逃出。现在经过对爱因斯坦引力论的诸多介绍，你该知道谁更强了吧？
后话
我没打算让每个打开这篇日志的人耐着性子看到最后，如果我的赘述使你有一点启发，那我就知足了。有人说研究这些有什么用呢，我借用法拉第的话回答，刚出生的婴儿又有什么用呢？
