《世界觀：現(xiàn)代人必須要懂的科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)史》是美國學(xué)者理查德?德威特撰寫的科學(xué)哲學(xué)著作，2018年由機(jī)械工業(yè)出版社出版。作者基于費(fèi)爾菲爾德大學(xué)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，通過圖表輔助與通俗化表述，系統(tǒng)梳理科學(xué)認(rèn)知體系的演進(jìn)歷程。

全書以科學(xué)史為主線，解析人類世界觀從亞里士多德地心說、牛頓經(jīng)典力學(xué)到相對(duì)論與量子力學(xué)的變革過程。第一部分探討科學(xué)哲學(xué)基礎(chǔ)命題，包括真理本質(zhì)與實(shí)證方法；第二部分分析古代至近代科學(xué)范式轉(zhuǎn)換，聚焦托勒密至伽利略的理論突破；第三部分評(píng)述現(xiàn)代科學(xué)對(duì)傳統(tǒng)世界觀的沖擊，揭示科學(xué)理論與認(rèn)知框架的動(dòng)態(tài)發(fā)展。通過跨學(xué)科視角，闡釋科學(xué)思維如何重構(gòu)人類對(duì)世界的理解。

第24章：廣義相對(duì)論

1907～1916年，愛因斯坦花了大量時(shí)間和精力來發(fā)展廣義相對(duì)論。正如前面提到過的，廣義相對(duì)論比狹義相對(duì)論要復(fù)雜得多。我們?cè)谶@一章的主要目標(biāo)是大致了解廣義相對(duì)論的主要內(nèi)容，并探討這個(gè)理論的主要影響。首先，我們將探討幾個(gè)作為廣義相對(duì)論基礎(chǔ)的基本原理。

基本原理

在第23章中我們看到，狹義相對(duì)論以兩個(gè)基本原理為基礎(chǔ)，也就是相對(duì)性原理和光速不變?cè)?。廣義相對(duì)論同樣以兩個(gè)基本原理為基礎(chǔ)，通常被稱為廣義協(xié)變性原理和等效原理，這對(duì)廣義相對(duì)論來說具有重要意義。

廣義協(xié)變性原理通常概括為，在任何參考系中，物理定律都是相同的。要解釋這個(gè)原理，最簡(jiǎn)單的方法就是把它與第23章所討論的相對(duì)性原理進(jìn)行對(duì)比?；貞浺幌?，相對(duì)性原理是說，如果有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室，它們唯一的不同之處是相對(duì)于彼此在進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)，那么如果在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行完全相同的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將完全相同。因此，以圖23-1為例，如果薩拉和喬伊唯一的區(qū)別在于，他們相對(duì)于彼此在進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)，那么如果他們進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)，就將得到相同的結(jié)果。

在狹義相對(duì)論那一章（第23章）中，我經(jīng)常談到觀察點(diǎn)，比如首先從喬伊的角度描述一個(gè)情境，然后再從薩拉的角度描述。這樣的觀察點(diǎn)通常被稱為“參考體系”（或簡(jiǎn)稱為“參考系”）。像薩拉和喬伊這樣僅涉及勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系被稱為“慣性參考系”（或簡(jiǎn)稱為“慣性系”）。利用慣性參考系的概念，相對(duì)性原理可以更簡(jiǎn)明地表述為，在所有慣性參考系中，相同的實(shí)驗(yàn)可以得到相同的結(jié)果，或者換個(gè)說法，物理定律在所有慣性參考系中都是相同的。確實(shí)，相對(duì)性原理常常如此表述。

請(qǐng)注意，當(dāng)我們重新表述相對(duì)性原理后就會(huì)發(fā)現(xiàn)，廣義協(xié)變性原理其實(shí)是一個(gè)更為概括的相對(duì)性原理（事實(shí)上，盡管這個(gè)原理現(xiàn)在通常被稱為廣義協(xié)變性原理，但愛因斯坦常常稱之為“相對(duì)性廣義原理”）。因此，相對(duì)性原理從本質(zhì)上是說，物理定律在所有慣性參考系中都是相同的，而廣義協(xié)變性原理所表述的則是，在所有參考系中，物理定律都是相同的，不管這些參考系相對(duì)于彼此在進(jìn)行怎樣的運(yùn)動(dòng)。這恰恰就是廣義相對(duì)論被認(rèn)為是一個(gè)廣義理論的原因。狹義相對(duì)論適用于滿足了某種特定條件的特殊情況，也就是與慣性參考系有關(guān)的情況，而廣義相對(duì)論則突破了這個(gè)限制，可以適用于所有參考系。

現(xiàn)在讓我們轉(zhuǎn)向廣義相對(duì)論的另一個(gè)基本原理——等效原理。等效原理表述為，加速度產(chǎn)生的效果和重力產(chǎn)生的效果是無法進(jìn)行區(qū)分的。要說明這個(gè)原理，最好的方法可能就是借用愛因斯坦常用的例子，詳情如下。

假設(shè)你在一個(gè)大小和形狀與電梯轎廂類似的封閉房間中，因此看不到房間外面的情況。在第一種情境中，假設(shè)這個(gè)“電梯轎廂”在地球表面上（但你并不知道），因此你會(huì)感受到地球的引力場(chǎng)，具體是什么樣的感受呢？最明顯的感受是，你覺得自己好像是在被拉向轎廂地面，也會(huì)注意到下落的物體以9.8米/秒2的加速度向轎廂地面加速運(yùn)動(dòng)。

現(xiàn)在假設(shè)（你同樣不知情）你和這個(gè)電梯轎廂位于宇宙中一個(gè)多少有些空曠的區(qū)域（因此不受任何一個(gè)引力場(chǎng)的明顯影響），但是電梯轎廂正在以9.8米/秒2的加速度加速“上升”（也就是從轎廂地面向天花板畫一條直線，你和轎廂就是沿這條直線的方向“上升”）。你將會(huì)從這種上升運(yùn)動(dòng)中感受到怎樣的效果？同樣地，你會(huì)覺得自己被拉向轎廂地面，也會(huì)注意到下落的物體以9.8米/秒2的加速度向轎廂地面加速運(yùn)動(dòng)。

需要注意的核心點(diǎn)是，第一種情境中重力產(chǎn)生的效果與第二種情境中加速度產(chǎn)生的效果相比，是無法彼此區(qū)分的。重力效果和加速度效果之間這種緊密的聯(lián)系早在牛頓時(shí)代就被發(fā)現(xiàn)了。盡管如此，在牛頓物理學(xué)中，這兩種效果仍被當(dāng)作彼此獨(dú)立的現(xiàn)象，而它們之間緊密的聯(lián)系似乎只是巧合。但是在相對(duì)論中，等效原理則表明，從本質(zhì)上來說這兩種效果不存在差異，也就是這些效果無法彼此區(qū)分開來。

那么總結(jié)一下，像狹義相對(duì)論一樣，廣義相對(duì)論也是以兩個(gè)基本原理為基礎(chǔ)的，這一點(diǎn)具有重要意義。了解了這一點(diǎn)，我們接下來將簡(jiǎn)短地討論廣義相對(duì)論的幾個(gè)核心方程式，并探討這個(gè)理論的一些證實(shí)證據(jù)。

愛因斯坦場(chǎng)方程和廣義相對(duì)論的預(yù)言

在前面我們已經(jīng)討論過，廣義相對(duì)論是以廣義協(xié)變性原理和等效原理為基礎(chǔ)的，這一點(diǎn)具有重要意義。在第23章中，我們看到了狹義相對(duì)論同樣以兩個(gè)基本原理為基礎(chǔ)，同時(shí)我們也看到了狹義相對(duì)論兩個(gè)基本原理的數(shù)學(xué)“表達(dá)”展現(xiàn)了某些與長(zhǎng)度、時(shí)間和同時(shí)性相關(guān)的令人驚訝的效果。我們同樣提到過，想要推導(dǎo)出與這兩個(gè)基本原理相關(guān)的數(shù)學(xué)表述并沒有那么困難（在第23章里我們實(shí)際上并不是從基本原理中推導(dǎo)出了與長(zhǎng)度、時(shí)間和同時(shí)性相關(guān)的效果，但我說過，這個(gè)推導(dǎo)過程只需要高中代數(shù)知識(shí)，盡管不算簡(jiǎn)單，但也不是特別困難）。

廣義相對(duì)論的情況則大為不同。盡管廣義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理表述起來并不困難，但實(shí)際上要推導(dǎo)出遵循這些原理的數(shù)學(xué)方程式卻并不容易。愛因斯坦花了幾年時(shí)間來推導(dǎo)這些方程式，很多初期結(jié)果后來都需要撤回或者大量修正。簡(jiǎn)言之，兩個(gè)基本原理所需的數(shù)學(xué)表述是花費(fèi)了大量時(shí)間才推導(dǎo)出來的。而且與狹義相對(duì)論的方程式不同，廣義相對(duì)論的方程式本身也都相當(dāng)復(fù)雜。

不過，到了1916年，愛因斯坦終于推導(dǎo)出了他一直在尋找的方程式，并于同年發(fā)表了一篇題為《廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)》的論文，將這些方程式公布于眾。這些方程式現(xiàn)在被稱為“愛因斯坦場(chǎng)方程”，是廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)核心，其基本思路是，這些方程式所得的解，可以表明空間、時(shí)間和物質(zhì)是如何相互影響的。舉個(gè)例子，其中一個(gè)解表明，當(dāng)存在一個(gè)像太陽這樣的物體時(shí)，空間和時(shí)間會(huì)受到怎樣的影響；另一個(gè)解則表明，當(dāng)一個(gè)大質(zhì)量恒星坍縮形成一個(gè)密度非常大的殘骸，也就是通常所說的黑洞時(shí)，空間和時(shí)間會(huì)受到怎樣的影響。（簡(jiǎn)單幾句題外話，黑洞在很長(zhǎng)一段時(shí)間里被認(rèn)為只是在理論上有存在的可能，而并不是實(shí)際存在的。不過，在20世紀(jì)下半葉，這一觀點(diǎn)發(fā)生了變化，現(xiàn)在普遍接受的觀點(diǎn)是，黑洞并非罕見，在大多數(shù)星系的中心很可能都存在黑洞。）

與狹義相對(duì)論相似，廣義相對(duì)論同樣做出了一些預(yù)言。我會(huì)簡(jiǎn)要討論這些預(yù)言，然后多花些時(shí)間來探討廣義相對(duì)論帶來的另一個(gè)影響——時(shí)空曲率。

在第8章開篇我們簡(jiǎn)要討論過，曾經(jīng)有那么幾十年的時(shí)間，人們一直都可以觀測(cè)到水星軌道的一些奇怪之處?；貞浺幌?，行星沿橢圓軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，這與牛頓科學(xué)的預(yù)言完全一致?，F(xiàn)在，設(shè)想一下水星軌道上距離太陽最近的一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)被稱為近日點(diǎn)，而從19世紀(jì)中期到末期的幾十年間，人們所觀察到的是，水星每繞太陽轉(zhuǎn)一周，其軌道近日點(diǎn)就會(huì)發(fā)生一點(diǎn)變化，好像近日點(diǎn)在以非常非常緩慢的速度圍繞太陽運(yùn)動(dòng)。水星近日點(diǎn)每年的移動(dòng)量非常非常小，但是仍然可以測(cè)量到，而且這樣的變化并不符合牛頓科學(xué)對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的描述。然而，在1916年的論文中，愛因斯坦指出，根據(jù)他的廣義相對(duì)論方程式，水星近日點(diǎn)應(yīng)該每年都有進(jìn)動(dòng)，而愛因斯坦利用廣義相對(duì)論所預(yù)言的進(jìn)動(dòng)量，恰好就是人們實(shí)際觀察到的水星近日點(diǎn)移動(dòng)量。這就是關(guān)于廣義相對(duì)論的一個(gè)相當(dāng)直接明確的證實(shí)證據(jù)，也是我們?cè)诘?章中討論過的一類證據(jù)。

與此類似，在1916年的論文中，愛因斯坦還提出，如果廣義相對(duì)論是正確的，那么遠(yuǎn)離強(qiáng)引力場(chǎng)的光線，其波長(zhǎng)應(yīng)該會(huì)向光譜的紅色端偏移。這個(gè)效果被稱為“引力紅移”。由于恒星都具有一個(gè)很強(qiáng)的引力場(chǎng)，離開恒星的光線，比如離開太陽的光線，應(yīng)該會(huì)發(fā)生紅移。要驗(yàn)證廣義相對(duì)論所預(yù)言的紅移并不容易，不過在已經(jīng)進(jìn)行過的實(shí)驗(yàn)中，觀察到的紅移現(xiàn)象都與廣義相對(duì)論的預(yù)言相吻合，再次為廣義相對(duì)論提供了證實(shí)證據(jù)。從質(zhì)量較小的物體離開的光線，比如離開地球的光線，同樣會(huì)有紅移現(xiàn)象，盡管根據(jù)廣義相對(duì)論的預(yù)言，這個(gè)紅移量相當(dāng)小，但仍然被測(cè)量到了，而且測(cè)量結(jié)果與廣義相對(duì)論的預(yù)言完全一致。

在第23章討論狹義相對(duì)論時(shí)，我們看到，運(yùn)動(dòng)對(duì)空間和時(shí)間都會(huì)產(chǎn)生影響。在廣義相對(duì)論中，運(yùn)動(dòng)對(duì)空間和時(shí)間也會(huì)有類似影響。同時(shí)，重力（或者換個(gè)等同的說法，就是加速和減速的效果）同樣會(huì)對(duì)空間和時(shí)間產(chǎn)生影響。舉個(gè)例子，當(dāng)存在一個(gè)強(qiáng)引力場(chǎng)時(shí)（或者換個(gè)等同的說法，就是在一個(gè)正在加速的參考系中），時(shí)間流逝會(huì)變慢。重點(diǎn)是，與狹義相對(duì)論不同，從某種意義上說，這些效果不是對(duì)稱的。舉個(gè)例子，假設(shè)喬伊繼續(xù)留在地球表面，薩拉則出發(fā)去執(zhí)行一項(xiàng)在高速空間中的任務(wù)。假設(shè)薩拉加速運(yùn)動(dòng)了一段時(shí)間，在抵達(dá)目的地時(shí)減速，然后調(diào)頭，開始返回地球，因此，薩拉又進(jìn)行了一段加速運(yùn)動(dòng)，并在靠近地球時(shí)減速。在這次旅行期間，薩拉將會(huì)感受到加速和減速產(chǎn)生的效果，而喬伊則不會(huì)體驗(yàn)到這些效果。在這種情況下，廣義相對(duì)論預(yù)言，對(duì)薩拉來說，時(shí)間的流逝會(huì)比對(duì)喬伊少，薩拉和喬伊也都會(huì)認(rèn)可這一點(diǎn)。

由于我們現(xiàn)有的計(jì)時(shí)工具已經(jīng)非常準(zhǔn)確，因此驗(yàn)證時(shí)間上的效果并不困難，而廣義相對(duì)論所預(yù)言的效果也都得到了很好的證實(shí)。根據(jù)相對(duì)論，即使是一幢高樓的一層和頂層之間，引力差異也非常小，頂層時(shí)間流逝速度和一層時(shí)間流逝速度相比也會(huì)存在差異。即使是這些時(shí)間流逝速度上的微小差異也都已經(jīng)被測(cè)量到了，而且與廣義相對(duì)論所預(yù)言的相同。總之，有很多證實(shí)證據(jù)可以證明廣義相對(duì)論。

在第4章開篇我們提到過，1919年日食期間所觀測(cè)到的恒星光線彎曲成了廣義相對(duì)論的一個(gè)早期證實(shí)證據(jù)，并得到了廣泛宣傳。這個(gè)觀測(cè)結(jié)果同時(shí)讓我們看到了廣義相對(duì)論更有趣的一個(gè)預(yù)言，那就是時(shí)空曲率。因此，值得我們放慢速度來探討一下。

要理解廣義相對(duì)論所預(yù)言的時(shí)空曲率，舉個(gè)例子可能會(huì)有所幫助，這個(gè)例子與相對(duì)論無關(guān)，但便于我們與相對(duì)論進(jìn)行對(duì)比。假設(shè)我們有一塊棒狀磁石，并在磁石上面蓋一張紙。接下來，我們?cè)诩埳戏乓恍╄F屑，并輕輕搖晃一下，這時(shí)鐵屑會(huì)以一種特定的方式在紙上分布，這種分布方式就反映了圍繞在磁石周圍的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)本身通常被描繪成圖24-1中的樣子。在圖中，每一條線都被稱為“磁力線”，代表了磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。具體來說，在磁場(chǎng)較強(qiáng)的地方，磁力線更密集；在磁場(chǎng)較弱的地方，磁力線之間的距離更大。（為了便于呈現(xiàn)，圖24-1實(shí)際上比大多數(shù)磁場(chǎng)示意圖更簡(jiǎn)化了一些。通常，磁場(chǎng)示意圖會(huì)包括更多磁力線，線上還會(huì)有箭頭表明磁力的方向。）現(xiàn)在，請(qǐng)注意這個(gè)示意圖的一個(gè)重要特點(diǎn)，磁力線代表的是存在于空間中，也可能存在于時(shí)間中的力。也就是說，磁力線表明，在磁石附近的一個(gè)特定空間中，鐵屑將受到磁力作用，而且可能會(huì)以一種特定方式在空間和時(shí)間中運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)言之，空間和時(shí)間通常是這些磁力線的背景，或者換句話說，這些磁力線似乎是存在于空間和時(shí)間中的。

現(xiàn)在思考一下圖24-2，這也是討論廣義相對(duì)論時(shí)常見的一種示意圖。乍看起來，這個(gè)圖中的磁力線與圖24-1中的磁力線非常相似。但是，這兩個(gè)示意圖有一處關(guān)鍵不同，那就是圖24-2中的磁力線所代表的并不是存在于空間和時(shí)間中的一個(gè)磁場(chǎng)；相反，這些磁力線所代表的是時(shí)空曲率本身。（順帶說一下，我們?cè)诘?3章中已經(jīng)看到，時(shí)空是一個(gè)四維連續(xù)統(tǒng)，其中三個(gè)維度是常規(guī)的空間三維，第四個(gè)維度是時(shí)間。像圖24-2這樣的示意圖通常代表的是四維時(shí)空的一個(gè)二維“切片”。）

根據(jù)廣義相對(duì)論，大質(zhì)量物體的存在導(dǎo)致了時(shí)空曲率的形成。在圖24-2這樣的示意圖中，磁力線所代表的是，由于存在像太陽這樣的大質(zhì)量物體而形成的時(shí)空曲率。在這樣的示意圖中，如果一個(gè)物體沿“切片”表面運(yùn)動(dòng)，兩點(diǎn)之間的最短路徑將是一條曲線（這樣一條最短路徑被稱為“測(cè)地線”）。由于光線會(huì)沿著最短路徑傳播，因此，當(dāng)經(jīng)過像太陽這樣的大質(zhì)量物體時(shí)，光線會(huì)沿一條看起來彎曲的路徑傳播。簡(jiǎn)言之，如果廣義相對(duì)論是正確的，像太陽這樣的大質(zhì)量物體會(huì)導(dǎo)致時(shí)空曲率，那么我們應(yīng)該可以觀察到，恒星光線在太陽這樣的物體附近發(fā)生彎折。

在1916年的論文中，愛因斯坦給出了恒星光線經(jīng)過太陽附近時(shí)發(fā)生彎折的具體數(shù)據(jù)。在第4章里我們已經(jīng)討論過，在1919年日食過程中觀察到了恒星光線彎折，而且與愛因斯坦的預(yù)言非常一致，這成了廣義相對(duì)論的又一個(gè)重要的證實(shí)證據(jù)。

關(guān)于時(shí)空和時(shí)空曲率，近期的一個(gè)實(shí)驗(yàn)可以算是對(duì)相對(duì)論的一個(gè)終極證實(shí)證據(jù)，在這里值得一提。愛因斯坦等人早先曾表示，廣義相對(duì)論預(yù)言了一種“引力波”的存在。從某種意義上說，引力波是時(shí)空中的漣漪。再思考一下圖24-2，然后想象一下，一列漣漪劃過這個(gè)時(shí)空切片，而那列漣漪就是引力波。如果把一塊卵石扔進(jìn)池塘，池塘水面上的漣漪將以卵石入水的地方為中心向外擴(kuò)散，與此類似，引力波會(huì)以一個(gè)巨大的能量釋放源（比如，超新星的能量釋放，也就是一顆巨大的恒星在其演化接近末期時(shí)所發(fā)生的劇烈爆炸）為源頭向周圍擴(kuò)散。

應(yīng)該經(jīng)常會(huì)有引力波穿過我們所處的這個(gè)時(shí)空區(qū)域，然而，實(shí)踐證明探測(cè)引力波卻是件極其困難的事情。就像池塘水面上的漣漪，在從中心向外擴(kuò)散的過程中不斷變小，引力波也是如此。引力波在源頭時(shí)可能非常猛烈，但當(dāng)它們?cè)跁r(shí)空中以光速運(yùn)動(dòng)了上百萬年甚至數(shù)十億年到達(dá)地球時(shí)，就已經(jīng)變得難以探測(cè)了。然而，在2015年年底，恰巧是愛因斯坦關(guān)于廣義相對(duì)論的論文發(fā)表100周年之際，兩個(gè)經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的探測(cè)器分別獨(dú)立記錄到了一列引力波。這列引力波似乎發(fā)源于大約10億年前，由兩個(gè)相距10億光年的巨大黑洞碰撞而產(chǎn)生。盡管在幾十年前就已經(jīng)有了關(guān)于引力波的間接證據(jù)，但這是第一次直接證實(shí)了廣義相對(duì)論的這一預(yù)言。（順帶提一下，探測(cè)引力波本身就意義重大，但它同時(shí)也帶來了一種新的收集有關(guān)外太空信息的方法，也就是現(xiàn)在時(shí)有提到的“引力波天文學(xué)”，從這個(gè)意義上說，對(duì)引力波的探測(cè)也是非常令人歡欣鼓舞的。）

總結(jié)一下，廣義相對(duì)論做出了許多不尋常的預(yù)言，比如我們?cè)谇懊嬗懻撨^的那幾個(gè)。實(shí)際觀察結(jié)果與這些預(yù)言一致，而且總的來說，廣義相對(duì)論已被廣泛認(rèn)為是一個(gè)得到了充分證實(shí)的理論。

哲學(xué)反思：廣義相對(duì)論和重力

在結(jié)束本章之前，最后還有一個(gè)與廣義相對(duì)論緊密相聯(lián)的命題值得討論，那就是這個(gè)理論對(duì)重力的解釋。說對(duì)重力的解釋是與廣義相對(duì)論緊密相聯(lián)的一個(gè)命題可能有點(diǎn)輕描淡寫，因?yàn)閷?duì)廣義相對(duì)論通常的解讀是，它從根本上說就是一個(gè)關(guān)于重力的理論。

在前面的討論中我們看到，光線會(huì)沿著最短路徑傳播。在廣義相對(duì)論中，不受任何力作用的物體會(huì)沿著最短路徑運(yùn)動(dòng)，也就是說，這些物體通常沿測(cè)地線運(yùn)動(dòng)。重點(diǎn)是，像行星這樣的物體，并不是受到了吸引力才呈現(xiàn)出其運(yùn)動(dòng)模式，這與牛頓世界觀中關(guān)于重力的觀點(diǎn)相比，是一個(gè)關(guān)鍵不同點(diǎn)。比如，火星圍繞太陽沿橢圓軌道運(yùn)轉(zhuǎn)并不是火星與太陽之間相互的吸引力或者說萬有引力的結(jié)果。相反，與其他運(yùn)動(dòng)的物體一樣，火星沿直線運(yùn)動(dòng)。

然而，在一個(gè)彎曲的空間中，“直線”其實(shí)是測(cè)地線。正如我們?cè)谇懊婵吹降?，根?jù)廣義相對(duì)論，像太陽這樣的大質(zhì)量物體會(huì)導(dǎo)致時(shí)空曲率。根據(jù)廣義相對(duì)論方程式，這個(gè)曲率之大，會(huì)使火星運(yùn)動(dòng)所沿的測(cè)地線變成圍繞太陽的一個(gè)橢圓形。換句話說，在廣義相對(duì)論中，像火星和太陽這樣的物體之間不存在吸引“力”。事實(shí)上，火星只是沿直線運(yùn)動(dòng)，但是由于時(shí)空曲率，這條直線變成了圍繞太陽的一個(gè)橢圓形。

請(qǐng)注意，廣義相對(duì)論中有關(guān)重力的觀點(diǎn)與牛頓科學(xué)中有關(guān)重力的觀點(diǎn)有顯著不同。在牛頓科學(xué)中，重力通常被認(rèn)為是物體之間的吸引力。在第20章結(jié)尾處我們看到，如果采用現(xiàn)實(shí)主義態(tài)度，這樣的力似乎是遠(yuǎn)距離產(chǎn)生作用的動(dòng)作。同樣，在第20章中我們也討論了，正是這層“超距作用”的意思，讓牛頓非常煩惱，因此他通常選擇用工具主義態(tài)度來對(duì)待重力。

盡管牛頓本人采用了工具主義態(tài)度，但是大多數(shù)在牛頓世界觀教育下長(zhǎng)大的人們都傾向于采用現(xiàn)實(shí)主義態(tài)度來對(duì)待重力。再引用一下我們?cè)谇懊嬗眠^的例子，如果我往地上扔一支筆，然后問“為什么筆會(huì)下落”，標(biāo)準(zhǔn)答案是“這支筆因?yàn)橹亓Χ侣洹薄Ｈ绻麊栴}是“重力是否真實(shí)存在”，那么通常的回答是“當(dāng)然存在”。也就是說，人們總的來說傾向于把重力當(dāng)作物體之間真實(shí)存在的吸引力。簡(jiǎn)言之，在牛頓世界觀中，人們通常采用現(xiàn)實(shí)主義態(tài)度來看待重力。

然而，現(xiàn)在請(qǐng)注意，廣義相對(duì)論中有關(guān)重力的觀點(diǎn)有一個(gè)有趣的結(jié)果。正如前面提到過的，廣義相對(duì)論是一個(gè)得到了充分證實(shí)的理論。如果我們用現(xiàn)實(shí)主義態(tài)度來對(duì)待廣義相對(duì)論，實(shí)際上就等于讓我們不得不用工具主義態(tài)度來對(duì)待牛頓世界觀中重力的概念。也就是說，如果物體落向地球或行星圍繞太陽沿橢圓軌道運(yùn)行，都是時(shí)空曲率導(dǎo)致的結(jié)果，而不是物體之間吸引力作用的結(jié)果，那么說重力是一種吸引力充其量是一個(gè)為了方便討論但并不完全正確的說法。

總結(jié)一下，廣義相對(duì)論是一個(gè)得到了充分證實(shí)的理論。值得注意的是，在預(yù)言和解釋方面（列舉其中兩個(gè)，對(duì)水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)和對(duì)恒星光線彎折的預(yù)言和解釋），廣義相對(duì)論的表現(xiàn)優(yōu)于牛頓理論。牛頓理論仍然是一個(gè)非常有用的理論，但是，如果我們要說哪一個(gè)理論更準(zhǔn)確地描述了已知數(shù)據(jù)，答案幾乎毫無疑問是廣義相對(duì)論。

因此，如果我們傾向于用現(xiàn)實(shí)主義態(tài)度對(duì)待物理學(xué)理論，那么我們就應(yīng)該用現(xiàn)實(shí)主義態(tài)度對(duì)待相對(duì)論，而用工具主義態(tài)度對(duì)待牛頓理論（畢竟牛頓物理學(xué)仍然非常有用，盡管它的描述嚴(yán)格說來并不正確）。請(qǐng)注意，我們因此而不得不采用工具主義態(tài)度來對(duì)待“重力是一種吸引力”的概念。換句話說，廣義相對(duì)論使我們不得不對(duì)一種最容易被當(dāng)作理所當(dāng)然的態(tài)度（也就是對(duì)待“重力是一種吸引力”的概念時(shí)的現(xiàn)實(shí)主義態(tài)度）進(jìn)行重新評(píng)估?？傊c狹義相對(duì)論一樣，廣義相對(duì)論使我們不得不重新審視某些通常的觀點(diǎn)。

結(jié)語

在本章和第23章中我們看到，狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論對(duì)我們大多數(shù)人一直認(rèn)為是基礎(chǔ)性、常識(shí)性的觀點(diǎn)，產(chǎn)生了很有意思的影響。

這些觀點(diǎn)涉及長(zhǎng)度、時(shí)間間隔和同時(shí)性，以及對(duì)重力性質(zhì)通常的認(rèn)識(shí)。特別是關(guān)于重力，廣義相對(duì)論使我們不得不用工具主義態(tài)度來對(duì)待“重力是一種吸引力”的常識(shí)性概念。

回憶一下，在17世紀(jì)，新發(fā)現(xiàn)迫使人們改變了對(duì)世界通常的認(rèn)識(shí)。同樣地，我們現(xiàn)在也看到，新發(fā)現(xiàn)也在迫使我們重新評(píng)估自己某些關(guān)于這個(gè)世界通常的觀點(diǎn)。在第31章，我們將再次就愛因斯坦相對(duì)論對(duì)牛頓世界觀的影響進(jìn)行討論。不過，首先我們探討一下20世紀(jì)物理學(xué)的另一個(gè)主要分支——量子理論。