深度長文：牛頓力學與相對論的區別到底在哪？(近5000字建議收藏)

1687年，牛頓提出了偉大的萬有引力定律，這個偉大的定律可謂“上天入地無所不能”，詮釋了萬物的運動規律，統治了物理學界兩百多年。當時的物理學界對牛頓力學可以說是深信不疑，甚至認為物理學大廈已經基本修建完畢，剩下來的只需要小修小補就可以了。

直到另外一個同樣偉大的人物愛因斯坦的出現，愛因斯坦提出了偉大的相對論，才終結了牛頓力學對物理學界的統治。其實也談不上終結，只是在更大的范圍內讓我們認識到了引力和時空的本質，事實上如今統治我們生活的仍舊是牛頓經典力學而不是相對論，稍后我會講為什么會這么說。

相對論的橫空出世，讓本來快要建成的物理學大廈“轟然倒塌”，不得不重新修建另一座完全不同的物理學大廈，因為相對于牛頓經典力學來講，相對論是完全不同的全新物理概念，物理學家們必須用一種全新的視角去審視相對論。

那么，牛頓經典力學與愛因斯坦的相對論到底有什么區別，兩者到底哪里不兼容呢？

首先我們來看看牛頓的萬有引力理論，該理論其實一點也不復雜，任何兩個物體，放在宇宙中任意兩個位置，兩者之間都會有引力，而且引力大小相等，方向相反。根據兩個物體之間的距離和質量，就可以計算出兩者之間的引力有多大。

通過公式可以看出，牛頓萬有引力定律簡單清晰，不僅僅適用于地球上的物體，同樣適用于更大的天體，比如說恒星，行星衛星等各種天體。

但是，任何科學理論都具有可證偽性，不管萬有引力定律推導出多少正確的結果，哪怕出現一次錯誤的結果，都會是“致命”的。科學就是這樣，就是在不斷“被證偽”的過程中發展的，不管一個科學理論看起來有多美，不管被證明多少次，但只要有一次被證明是錯誤的或者說不嚴謹的，那么就說明該理論是“錯”的，起碼是不嚴謹的。注意，這里的“錯”字我加了引號，至于為什么加引號，后面會解釋。

所以，當牛頓經典力學對水星軌道進動問題無能為力時，物理學界一片茫然，他們開始變得不知所措。

當時的物理學界早就視牛頓經典力學為“神明”，誰都不愿意接受“牛頓經典力學錯了”這樣的結果，但科學是非常嚴謹的學科，雖然當時的人們不知道水星進動問題到底該如何解釋，但冥冥之中能感覺到，或許牛頓經典力學在一些最基礎的層面上會存在一些瑕疵。

何為“進動”？通俗來講就是指一個自轉的物體受外力作用，導致其自轉軸繞某一中心與自轉方向相同的旋轉。太陽系八大行星的軌道都不是圓形，而是橢圓，同時這個橢圓并不是封閉的，這也是進動的具體表現。

物理學家們發現，按照牛頓萬有引力定律計算，水星的運動軌道應該是封閉的橢圓，但實際觀測發現，并不是封閉的橢圓，而是每轉一圈，水星的長軸也會發生轉動，也就是所謂的進動。而牛頓萬有引力不能詮釋水星進動，就說明萬有引力是有瑕疵的，而這種瑕疵也讓人們意識到牛頓萬有引力定律是有局限性的，起碼開始認識到了局限性的冰山一角。

當然，一開始人們并沒有弄清楚為什么，但開始進行各種設想，比如說：如果太陽突然消失了，會發生什么呢？太陽系幾大行星會如何運動呢？

按照牛頓經典力學的詮釋，認為萬有引力是瞬間傳遞的，一瞬間就可以傳遞任意遙遠的距離，所以，太陽消失的一瞬間，太陽系幾大行星立刻會被甩出太陽系。

不過考慮到行星與太陽有一定的距離，比如說地球距離太陽1.5億公里，這就意味著太陽光到達地球需要大約8分鐘時間。那么，如果太陽突然消失，之后的8分鐘時間里，地球上仍舊一如既往地有太陽光照耀，就像太陽沒有消失一樣，直到8分鐘之后，地球上才會陷入黑暗。

如此一來，似乎就出現矛盾了。太陽突然消失，但地球上需要8分鐘之后才能感受到太陽的消失。不過按照牛頓萬有引力，地球立刻就會被甩出去。到底哪一個才是對的呢？

牛頓定律更傾向于“引力是瞬時傳遞的”這種觀點，但并沒有什么證據證明另一種猜測是錯的。當然，我們也不能苛求牛頓去解決這個問題，畢竟任何時代都有局限性，任何人都很難突破這種局限性。

在愛因斯坦提出狹義相對論之后，人們對牛頓力學定律又有了新的質疑。在愛因斯坦的質能方程中，表明質量與能量是等價的，質量只是能量的一種表現形式而已。這是不是也意味著能量也可以表現為質量呢？然后也會體現出萬有引力作用？

果真如此的話，將意味著一束光就可以吸引其他物體，同時也能被其他物體吸引。牛頓的萬有引力定律并無法回答這個問題。

還有更深層的問題，運動物體之間的引力與靜止物體之間的引力是否一樣呢？比如說，如果兩個物體之間相對運動，兩者之間的引力是否會發生變化？與靜止時是否一致呢？

根據愛因斯坦狹義相對論中的尺縮效應，運動的物體會在運動方向上發生尺縮效應，說白了就是尺度會變短，這個距離最終該如何衡量呢？需要考慮這種尺縮效應造成的距離變化嗎？

同樣的道理，運動的物體質量也會變大，那么萬有引力公式中的質量到底該如何選擇呢？是選擇原有的靜止質量，還是運動質量呢？

對于這個問題，只能說很遺憾，牛頓的萬有引力定律甚至不能給出任何回答，更不要說給出正確的答案了。

萬有引力定律有一個基本假設：宇宙中的物質總數量是永恒固定不變的，在任何時刻任何情況下，萬物之間都存在引力，同時引力的傳遞速度是瞬時的，無限快的，不需要任何時間。

顯然，這種基本假設意味著牛頓力學定律是建立在絕對時空觀基礎上的，雖然牛頓本人并沒有明確表示出這種觀點，但實際上就是如此。

而相對論讓我們看到了完全不一樣的時空觀，不管是時間，空間還是質量這些物理量都不是絕對的，而是相對的，會受到物體運動狀態的影響。能夠看出，牛頓的萬有引力定律與愛因斯坦的相對論出現了不兼容的結果，如何解決這個矛盾呢？

需要一場變革，一場徹底的變革。從愛因斯坦的狹義相對論開始，到后來更普適的廣義相對論，讓我們看到了一場徹底的變革，關于時空本質的變革。

牛頓的萬有引力定律一個最基本的特點是，引力是一種“超距作用”，瞬時傳遞的，不需要任何時間。但是你有沒有質疑過：憑什么會這樣呢？憑什么無論多么遠的距離，引力都能瞬間施加給對方呢？

在愛因斯坦的狹義相對論體系下，光速被認為是宇宙中的最快速度，任何物體和信息的傳播速度都不可能超過光速，而顯然引力也是信息的一種，按理說引力的傳播也不能超過光速。所以愛因斯坦對于牛頓力學體系下的“引力是一種超距作用”感到非常不舒服。

不僅如此，愛因斯坦的狹義相對論中對時間和空間也有了新的定義。他認為，宇宙中的一切物體，并不僅僅在空間里運動，同時也在時間中運動。更重要的是，這兩個維度的運動是一體的，不可分割的。任何物體都不可能只在空間或者時間維度運動。

同時，如果兩個物體之間發生了移動，無論從兩個物體的哪一個來看，另一個物體的時間都變慢了，這其實就是時間膨脹效應。舉個例子，你以亞光速離開地球，我靜止在地球上，在我眼里，你的時間變慢了。而在你眼里，我的時間也變慢了，因為在你眼里我同樣以亞光速離開你。這兩個結論并不矛盾，因為你我是在兩個不同的參照系下得出來的結論。

在狹義相對論的基礎上，愛因斯坦把狹義相對論的基礎“慣性系”擴展到所有的參照系，其中最關鍵的一個假設就是“等效原理”，慣性質量與引力質量等效，于是在某個局部，我們就可以把引力通過等效原理暫時抹掉，仍舊可以看做是“慣性系”。

當然，我簡單的一句話遠不能描述愛因斯坦提出廣義相對論的漫長過程。在愛因斯坦提出狹義相對論之后，又花了十年時間才最終提出了廣義相對論，這十年時間里，愛因斯坦幾乎都在解決這一個問題：如何把慣性系擴展到所有的參照系？

毫不夸張地說，愛因斯坦提出廣義相對論，幾乎完全是憑借他那顛覆性的大腦！

廣義相對論再次讓我們對時空的本質有了新的認知，讓我們明白了時空與物質能量之間到底有什么關系。

簡單來講就是：時空告訴物體如何運動，而物體告訴時空如何彎曲。

廣義相對論告訴我們，時空并不是平坦的，而是很有彈性，宇宙中的任何物體都會影響周圍的時空，造成時空彎曲。只不過只有大質量天體對時空的彎曲才更明顯。

宇宙中的物質，并不僅僅包括我們每天看到的可見物質，同時也包括所有的宇宙輻射，中微子，甚至反物質等，如果宇宙中不存在物質，那么時空確實是平坦的，也不會有引力的存在，這樣的話就不需要廣義相對論了，狹義相對論就足以解決所有問題了。

但是，一旦宇宙中出現物質，哪怕只是一個光子，結果就完全不一樣了，時空就不再是絕對平坦了。影響時空結構的并不僅僅是可見物質，還有能量。其實本質來講，任何物質都是能量的某種表現形式，更本質的東西是能量，而不是物質。當然這又是另外一個話題了，以后的科普會詳細講解。

能夠看出，在愛因斯坦的廣義相對論體系下，時空不再是平坦的，不再是一成不變的，而是可以彎曲，非常有彈性的。由于時間和空間是一體的，組成了我們經常所說的“四維時空”，所以發生彎曲的并不是空間，而是時空。空間和時空雖然只差了一個字，但兩者有本質區別。

廣義相對論認為，在彎曲的時空里，靜止和運動的本質發生了變化，靜止不再被視為靜止，但同時運動也不必視為運動。

什么意思呢？說白了，廣義相對論認為，所謂的運動，只是物體沿著彎曲的時空做“勻速直線”運動罷了，也就是“測地線運動”，是時空中的最短距離，注意，不是“空間的最短距離”。通俗理解，所謂測地線，就是物體在不受力的情況下走的路線！

也就是說，在廣義相對論看來，所謂的引力其實是不存在的，引力只是時空彎曲的表象而已，時空彎曲才是更本質的東西，我們看到的引力現象只是物體沿著彎曲的時空做測地線運動罷了。

而由于四維時空中存在光速限制，所有任何物體沿著彎曲時空的運動速度當然不能超過光速，其實后面也證明了，引力的速度正好等于光速，當然這并不是巧合，而是必然。

這里強調一點，一定要把“空間中的運動”與“時空中的運動”區分開，否則你很容易走進自己挖的一個“深坑”里永遠走不出來。

還有一個問題，時空彎曲到底是如何彎曲的呢？網絡上的很多示意圖都是“向下”彎曲，就像我們在蹦床上，蹦床會向下彎曲一樣，其實是不嚴謹的，因為宇宙太空中并存在“上下”的概念。

更嚴謹來講，時空彎曲會發生在所有方向上，而彎曲的方向都指向物體的質心。同時物體的運動也會拉拽著周圍的時空一起運動。

當然，我們不能苛求網絡上詮釋時空彎曲的示意圖，雖然不是很嚴謹，但簡單明了，只是更方便大家理解罷了，這一點大家知道就行了，沒必要太較真。

最后一個問題：既然引力的本質是時空彎曲，為什么到了今天，我們仍舊沒有用時空彎曲完全取代萬有引力呢？甚至如今統治我們生活的仍舊是萬有引力定律，而不是時空彎曲呢？

道理很簡單，牛頓的萬有引力定律只是廣義相對論體系下的近似值，是在低引力環境中的特例。剛才也說了，只有在大質量天體附近，比如說黑洞附近，時空彎曲才會更明顯，即便是我們的地球質量達到了60萬億億噸，對時空的彎曲作用也并不明顯。

所以，在我們的地球上，萬有引力定律已經相當精確了，完全沒有必要用更精確的時空彎曲效應來解決問題。還有一點，萬有引力公式很簡單，初中數學水平就能求解。而廣義相對論體系下的引力場方程太復雜了，它是一個二階非線性偏微分方程，光聽著名字就讓人撓頭。

要準確求解引力場方程是很困難的，即便是愛因斯坦也只能近似求解！

所以，這也是為什么，如今統治我們生活的仍舊是萬有引力公式，而不是廣義相對論時空彎曲。人類發射的火箭，衛星，各種探測器，從來都是以萬有引力定律為理論基礎，而不是引力場方程，雖然有極其微小的誤差，但這種誤差可能都沒有一陣微風吹過的影響大！

打個比方就明白了。你家住三樓，要把一桶桶裝水搬進家里，桶裝水也就大概幾十斤吧，成年男性直接扛到三樓肯定不在話下。但如果你非要用大型吊車把桶裝水吊到三樓，可不可以呢？

當然可以，但你會那么做嗎？顯然不會，任何人都不會，因為完全沒有必要。

而廣義相對論體系下的時空彎曲就相當于那臺大型吊車，一般情況下用不到。只要研究大型天體的運行規律時，才能用到那臺“大型吊車”。比如說，未來人類實現了真正意義上的星際旅行，能以亞光速飛行，同時對一些中子星和黑洞進行研究時，萬有引力定律就不再適用了，因為誤差很大，必須用更精確的廣義相對論！