深度长文：牛顿力学与相对论的区别到底在哪？(近5000字建议收藏)

1687年，牛顿提出了伟大的万有引力定律，这个伟大的定律可谓“上天入地无所不能”，诠释了万物的运动规律，统治了物理学界两百多年。当时的物理学界对牛顿力学可以说是深信不疑，甚至认为物理学大厦已经基本修建完毕，剩下来的只需要小修小补就可以了。

直到另外一个同样伟大的人物爱因斯坦的出现，爱因斯坦提出了伟大的相对论，才终结了牛顿力学对物理学界的统治。其实也谈不上终结，只是在更大的范围内让我们认识到了引力和时空的本质，事实上如今统治我们生活的仍旧是牛顿经典力学而不是相对论，稍后我会讲为什么会这么说。

相对论的横空出世，让本来快要建成的物理学大厦“轰然倒塌”，不得不重新修建另一座完全不同的物理学大厦，因为相对于牛顿经典力学来讲，相对论是完全不同的全新物理概念，物理学家们必须用一种全新的视角去审视相对论。

那么，牛顿经典力学与爱因斯坦的相对论到底有什么区别，两者到底哪里不兼容呢？

首先我们来看看牛顿的万有引力理论，该理论其实一点也不复杂，任何两个物体，放在宇宙中任意两个位置，两者之间都会有引力，而且引力大小相等，方向相反。根据两个物体之间的距离和质量，就可以计算出两者之间的引力有多大。

通过公式可以看出，牛顿万有引力定律简单清晰，不仅仅适用于地球上的物体，同样适用于更大的天体，比如说恒星，行星卫星等各种天体。

但是，任何科学理论都具有可证伪性，不管万有引力定律推导出多少正确的结果，哪怕出现一次错误的结果，都会是“致命”的。科学就是这样，就是在不断“被证伪”的过程中发展的，不管一个科学理论看起来有多美，不管被证明多少次，但只要有一次被证明是错误的或者说不严谨的，那么就说明该理论是“错”的，起码是不严谨的。注意，这里的“错”字我加了引号，至于为什么加引号，后面会解释。

所以，当牛顿经典力学对水星轨道进动问题无能为力时，物理学界一片茫然，他们开始变得不知所措。

当时的物理学界早就视牛顿经典力学为“神明”，谁都不愿意接受“牛顿经典力学错了”这样的结果，但科学是非常严谨的学科，虽然当时的人们不知道水星进动问题到底该如何解释，但冥冥之中能感觉到，或许牛顿经典力学在一些最基础的层面上会存在一些瑕疵。

何为“进动”？通俗来讲就是指一个自转的物体受外力作用，导致其自转轴绕某一中心与自转方向相同的旋转。太阳系八大行星的轨道都不是圆形，而是椭圆，同时这个椭圆并不是封闭的，这也是进动的具体表现。

物理学家们发现，按照牛顿万有引力定律计算，水星的运动轨道应该是封闭的椭圆，但实际观测发现，并不是封闭的椭圆，而是每转一圈，水星的长轴也会发生转动，也就是所谓的进动。而牛顿万有引力不能诠释水星进动，就说明万有引力是有瑕疵的，而这种瑕疵也让人们意识到牛顿万有引力定律是有局限性的，起码开始认识到了局限性的冰山一角。

当然，一开始人们并没有弄清楚为什么，但开始进行各种设想，比如说：如果太阳突然消失了，会发生什么呢？太阳系几大行星会如何运动呢？

按照牛顿经典力学的诠释，认为万有引力是瞬间传递的，一瞬间就可以传递任意遥远的距离，所以，太阳消失的一瞬间，太阳系几大行星立刻会被甩出太阳系。

不过考虑到行星与太阳有一定的距离，比如说地球距离太阳1.5亿公里，这就意味着太阳光到达地球需要大约8分钟时间。那么，如果太阳突然消失，之后的8分钟时间里，地球上仍旧一如既往地有太阳光照耀，就像太阳没有消失一样，直到8分钟之后，地球上才会陷入黑暗。

如此一来，似乎就出现矛盾了。太阳突然消失，但地球上需要8分钟之后才能感受到太阳的消失。不过按照牛顿万有引力，地球立刻就会被甩出去。到底哪一个才是对的呢？

牛顿定律更倾向于“引力是瞬时传递的”这种观点，但并没有什么证据证明另一种猜测是错的。当然，我们也不能苛求牛顿去解决这个问题，毕竟任何时代都有局限性，任何人都很难突破这种局限性。

在爱因斯坦提出狭义相对论之后，人们对牛顿力学定律又有了新的质疑。在爱因斯坦的质能方程中，表明质量与能量是等价的，质量只是能量的一种表现形式而已。这是不是也意味着能量也可以表现为质量呢？然后也会体现出万有引力作用？

果真如此的话，将意味着一束光就可以吸引其他物体，同时也能被其他物体吸引。牛顿的万有引力定律并无法回答这种问题。

还有更深层的问题，运动物体之间的引力与静止物体之间的引力是否一样呢？比如说，如果两个物体之间相对运动，两者之间的引力是否会发生变化？与静止时是否一致呢？

根据爱因斯坦狭义相对论中的尺缩效应，运动的物体会在运动方向上发生尺缩效应，说白了就是尺度会变短，这个距离最终该如何衡量呢？需要考虑这种尺缩效应造成的距离变化吗？

同样的道理，运动的物体质量也会变大，那么万有引力公式中的质量到底该如何选择呢？是选择原有的静止质量，还是运动质量呢？

对于这种问题，只能说很遗憾，牛顿的万有引力定律甚至不能给出任何回答，更不要说给出正确的答案了。

万有引力定律有一个基本假设：宇宙中的物质总数量是永恒固定不变的，在任何时刻任何情况下，万物之间都存在引力，同时引力的传递速度是瞬时的，无限快的，不需要任何时间。

显然，这种基本假设意味着牛顿力学定律是建立在绝对时空观基础上的，虽然牛顿本人并没有明确表示出这种观点，但实际上就是如此。

而相对论让我们看到了完全不一样的时空观，不管是时间，空间还是质量这些物理量都不是绝对的，而是相对的，会受到物体运动状态的影响。能够看出，牛顿的万有引力定律与爱因斯坦的相对论出现了不兼容的结果，如何解决这个矛盾呢？

需要一场变革，一场彻底的变革。从爱因斯坦的狭义相对论开始，到后来更普适的广义相对论，让我们看到了一场彻底的变革，关于时空本质的变革。

牛顿的万有引力定律一个最基本的特点是，引力是一种“超距作用”，瞬时传递的，不需要任何时间。但是你有没有质疑过：凭什么会这样呢？凭什么无论多么远的距离，引力都能瞬间施加给对方呢？

在爱因斯坦的狭义相对论体系下，光速被认为是宇宙中的最快速度，任何物体和信息的传播速度都不可能超过光速，而显然引力也是信息的一种，按理说引力的传播也不能超过光速。所以爱因斯坦对于牛顿力学体系下的“引力是一种超距作用”感到非常不舒服。

不仅如此，爱因斯坦的狭义相对论中对时间和空间也有了新的定义。他认为，宇宙中的一切物体，并不仅仅在空间里运动，同时也在时间中运动。更重要的是，这两个维度的运动是一体的，不可分割的。任何物体都不可能只在空间或者时间维度运动。

同时，如果两个物体之间发生了移动，无论从两个物体的哪一个来看，另一个物体的时间都变慢了，这其实就是时间膨胀效应。举个例子，你以亚光速离开地球，我静止在地球上，在我眼里，你的时间变慢了。而在你眼里，我的时间也变慢了，因为在你眼里我同样以亚光速离开你。这两个结论并不矛盾，因为你我是在两个不同的参照系下得出来的结论。

在狭义相对论的基础上，爱因斯坦把狭义相对论的基础“惯性系”扩展到所有的参照系，其中最关键的一个假设就是“等效原理”，惯性质量与引力质量等效，于是在某个局部，我们就可以把引力通过等效原理暂时抹掉，仍旧可以看做是“惯性系”。

当然，我简单的一句话远不能描述爱因斯坦提出广义相对论的漫长过程。在爱因斯坦提出狭义相对论之后，又花了十年时间才最终提出了广义相对论，这十年时间里，爱因斯坦几乎都在解决这一个问题：如何把惯性系扩展到所有的参照系？

毫不夸张地说，爱因斯坦提出广义相对论，几乎完全是凭借他那颠覆性的大脑！

广义相对论再次让我们对时空的本质有了新的认知，让我们明白了时空与物质能量之间到底有什么关系。

简单来讲就是：时空告诉物体如何运动，而物体告诉时空如何弯曲。

广义相对论告诉我们，时空并不是平坦的，而是很有弹性，宇宙中的任何物体都会影响周围的时空，造成时空弯曲。只不过只有大质量天体对时空的弯曲才更明显。

宇宙中的物质，并不仅仅包括我们每天看到的可见物质，同时也包括所有的宇宙辐射，中微子，甚至反物质等，如果宇宙中不存在物质，那么时空确实是平坦的，也不会有引力的存在，这样的话就不需要广义相对论了，狭义相对论就足以解决所有问题了。

但是，一旦宇宙中出现物质，哪怕只是一个光子，结果就完全不一样了，时空就不再是绝对平坦了。影响时空结构的并不仅仅是可见物质，还有能量。其实本质来讲，任何物质都是能量的某种表现形式，更本质的东西是能量，而不是物质。当然这又是另外一个话题了，以后的科普会详细讲解。

能够看出，在爱因斯坦的广义相对论体系下，时空不再是平坦的，不再是一成不变的，而是可以弯曲，非常有弹性的。由于时间和空间是一体的，组成了我们经常所说的“四维时空”，所以发生弯曲的并不是空间，而是时空。空间和时空虽然只差了一个字，但两者有本质区别。

广义相对论认为，在弯曲的时空里，静止和运动的本质发生了变化，静止不再被视为静止，但同时运动也不必视为运动。

什么意思呢？说白了，广义相对论认为，所谓的运动，只是物体沿着弯曲的时空做“匀速直线”运动罢了，也就是“测地线运动”，是时空中的最短距离，注意，不是“空间的最短距离”。通俗理解，所谓测地线，就是物体在不受力的情况下走的路线！

也就是说，在广义相对论看来，所谓的引力其实是不存在的，引力只是时空弯曲的表象而已，时空弯曲才是更本质的东西，我们看到的引力现象只是物体沿着弯曲的时空做测地线运动罢了。

而由于四维时空中存在光速限制，所有任何物体沿着弯曲时空的运动速度当然不能超过光速，其实后面也证明了，引力的速度正好等于光速，当然这并不是巧合，而是必然。

这里强调一点，一定要把“空间中的运动”与“时空中的运动”区分开，否则你很容易走进自己挖的一个“深坑”里永远走不出来。

还有一个问题，时空弯曲到底是如何弯曲的呢？网络上的很多示意图都是“向下”弯曲，就像我们在蹦床上，蹦床会向下弯曲一样，其实是不严谨的，因为宇宙太空中并存在“上下”的概念。

更严谨来讲，时空弯曲会发生在所有方向上，而弯曲的方向都指向物体的质心。同时物体的运动也会拉拽着周围的时空一起运动。

当然，我们不能苛求网络上诠释时空弯曲的示意图，虽然不是很严谨，但简单明了，只是更方便大家理解罢了，这一点大家知道就行了，没必要太较真。

最后一个问题：既然引力的本质是时空弯曲，为什么到了今天，我们仍旧没有用时空弯曲完全取代万有引力呢？甚至如今统治我们生活的仍旧是万有引力定律，而不是时空弯曲呢？

道理很简单，牛顿的万有引力定律只是广义相对论体系下的近似值，是在低引力环境中的特例。刚才也说了，只有在大质量天体附近，比如说黑洞附近，时空弯曲才会更明显，即便是我们的地球质量达到了60万亿亿吨，对时空的弯曲作用也并不明显。

所以，在我们的地球上，万有引力定律已经相当精确了，完全没有必要用更精确的时空弯曲效应来解决问题。还有一点，万有引力公式很简单，初中数学水平就能求解。而广义相对论体系下的引力场方程太复杂了，它是一个二阶非线性偏微分方程，光听着名字就让人挠头。

要准确求解引力场方程是很困难的，即便是爱因斯坦也只能近似求解！

所以，这也是为什么，如今统治我们生活的仍旧是万有引力公式，而不是广义相对论时空弯曲。人类发射的火箭，卫星，各种探测器，从来都是以万有引力定律为理论基础，而不是引力场方程，虽然有极其微小的误差，但这种误差可能都没有一阵微风吹过的影响大！

打个比方就明白了。你家住三楼，要把一桶桶装水搬进家里，桶装水也就大概几十斤吧，成年男性直接扛到三楼肯定不在话下。但如果你非要用大型吊车把桶装水吊到三楼，可不可以呢？

当然可以，但你会那么做吗？显然不会，任何人都不会，因为完全没有必要。

而广义相对论体系下的时空弯曲就相当于那台大型吊车，一般情况下用不到。只有研究大型天体的运行规律时，才能用到那台“大型吊车”。比如说，未来人类实现了真正意义上的星际旅行，能以亚光速飞行，同时对一些中子星和黑洞进行研究时，万有引力定律就不再适用了，因为误差很大，必须用更精确的广义相对论！