導讀：要想深刻理解廣義相對論，先來回答這6個關於等效原理的問題。
再談引力與量子力學的關係
——靈遁者
如果你相信引力是時空彎曲產生的幾何效應，不是真實存在的力，那麼引力子就是一個多餘的概念！可是各個國家的科學家不少人相信引力子的存在，並且花大價錢設計了引力子探測器。你說這是為什麼呢？
而且更大的問題是引力不是力，那麼就談不上四種基本力統一了！因為引力是一種假象。可是現在的科學家努力在做統一工作，其他三種力已經統一了，還不宣布大功告成？引力不是力的話，弦理論也是多餘，因為弦理論也是為統一四種力而做的努力。
不論是科學家還是平民，即相信這，也相信那，他們迷茫啊！也就是說鋪天蓋地宣傳引力是時空彎曲產生的幾何效應的這批人，他們其實也不知道自己在說什麼，愛因斯坦本人也是迷茫的。
方向錯了，一切就不明朗。先實實在在搞清楚引力是不是力？廣義相對論的解讀是否準確？不從根本上解決問題，不僅耗費物力，也讓很多熱愛探索的人窮盡一生無果而終。我們這一代人應該着重解決這一問題，而不是把問題留給下一代人。
引力到底是不是力？你現在好好思考，然後再給自己一個答案。問題的答案有三種可能，分別是引力是力，引力不是力，引力是力也不是力。有人這時肯定會批評道：「引力怎麼可能是力也不是力呢？」是的，我也覺得匪夷所思，這是在自找麻煩。可是一想到薛定諤的貓可以是即死又活的，光可以是波也可以是粒子，還可以是波粒二象性同在的狀態。【瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的科學家成功拍攝出有史以來第一張光同時表現出波粒二象性的照片。這一突破性成果發表在3月2日的《自然·通訊》雜誌上。】
上面的三種可能，哪個是正確的，我們還得回到引力探索史中，來一步步確定答案。而且這段歷史，大家已經很清楚了。關於引力的主流理論，前有牛頓萬有引力，後有愛因斯坦廣義相對論。分歧也就出現在他們兩人之間，那到底誰是對的？我們似乎從未說過牛頓是錯的，愛因斯坦是對的。我們也沒有說過，牛頓是對的，愛因斯坦是錯的。我們是這樣說的，低速情況下，牛頓萬有引力理論就近似為廣義相對論的結果；高速情況下，就用廣義相對論。我們的教科書也在教牛頓萬有引力理論，就說明現階段我們認可牛頓萬有引力理論，我們不認為它是錯誤的理論。
可兩種理論的時空觀截然不同，顯然愛因斯坦的時空觀，經受住了目前所有的實驗檢驗。而我們沒有放棄牛頓引力理論的原因，是因為它好用。兩個物體之間的引力，你用牛頓引力理論很好計算，你試試用愛因斯坦引力場方程去計算，你根本就一頭霧水。如果我們認為愛因斯坦引力理論才是最本質的引力理論，那麼牛頓引力理論自然是錯誤的。那就是說引力不是力，或者引力是力也不是力。我們先從這個方向走走看。
你必須要清楚地明白，無論是牛頓的引力理論，還是愛因斯坦的引力理論，都離不開兩個概念：慣性和加速度。
深刻理解這兩個概念，是你理解什麼是引力的關鍵。我們先來看看慣性的定義。牛頓關於慣性的定義：物體保持靜止狀態或勻速直線運動狀態的性質，稱為慣性。現在教科書認為慣性是物體的一種固有屬性，表現為物體對其運動狀態變化的一種阻抗程度，質量是對物體慣性大小的量度。
我在《變化》一書中，對慣性的定義，做了引申。慣性定義為：在引力場中，物體具有保持當下運動狀態的性質，叫做慣性。
再來看看加速度的定義：加速度是速度變化量與發生這一變化所用時間的比值Δv/Δt，是描述物體速度變化快慢的物理量。
在這裡你必須明白，力不是維持物體運動的原因，慣性才是。力是改變物體運動狀態的原因，即力是產生加速度的原因。
靈遁者《變化》
首先你會發現，慣性是一個很神奇的存在。慣性是維持物體運動的原因，但慣性又是抵抗物體運動狀態改變的原因。這也是為什麼物體運動狀態要改變，要克服慣性做功。
一根羽毛和一個鐵球在真空中為什麼同時落地？是因為重力加速度一樣。其根本原因是物體質量越大，物體抵抗其運動狀態改變的能力也越強。但如果把羽毛和鐵球放在地球不同的維度，即使在真空環境下，那麼它們也不會同時下落。因為重力加速度隨着緯度變化，有變化。
牛頓引力理論，並沒有解釋物體間的引力是如何產生的。牛頓認為引力本來就存在，無需解釋，也無法解釋。
同樣，牛頓慣性理論，也沒有解釋慣性是如何產生的。牛頓認為慣性本來就存在，是物體的屬性。無需解釋，也無法解釋。
那麼愛因斯坦引力理論呢？愛因斯坦認為引力是時空幾何效應，不是真的力。我們說大質量物體會使得光線發生偏轉，不以直線傳播，這是愛因斯坦的預言，也得到了證實。如果你贊同時空彎曲產生引力，那麼準確地理解應該是這樣，大質量物體使得時空彎曲，光線沿着彎曲時空進行傳播，即發生偏轉了。也就是說，並不是引力使得光線偏轉了，是時空彎曲使得光線只能走彎曲路徑【測地線路徑】。同理，其他星體的運動或者物體的運動也是如此，就好像它們都有自己的彎曲「軌道」。
同時你還需要明白，要深刻理解廣義相對論，就必須深刻理解狹義相對論。因為廣義相對論是建立在狹義相對論之上的。那麼我們就需要把狹義和廣義相對論成立的條件列出來，一一做個分析。
靈遁者科普四部曲
1、狹義相對論是建立在狹義相對性原理和光速不變原理之上。那什麼是狹義相對性原理，什麼是光速不變？
狹義相對性原理：一切物理定律（力學定律、電磁學定律以及其他相互作用的動力學定律）在所有慣性參考系中都是等價（平權）的，沒有一個慣性系具有優越地位，不存在絕對靜止的參考系（以太），從而否定了「以太說」和絕對空間。
值得一提的是，這個原理其實是伽利略相對性原理的推廣，也就是說伽利略是第一個思考慣性中物體運動的變化的人。可以說不理解慣性，慣性系，非慣性系的情況下，你要深刻理解相對論，是做不到的。
光速不變原理：真空中的光速對任何觀察者來說都是相同的。
2、廣義相對論是建立在廣義相對性原理和等效原理之上的。那什麼是廣義相對性原理？什麼是等效原理？
廣義相對性原理：所有的物理定律在任何參考系中都取相同的形式。
等效原理：慣性力場與引力場的動力學效應是局部不可分辨的。
等效原理又分為弱等效原理和強等效原理，弱等效原理認為慣性力場與引力場的動力學效應是局部不可分辨的。強等效原理認為，將「動力學效應」提升到「任何物理效應」。要強調，等效原理僅對局部慣性系成立，對非局部慣性系等效原理不一定成立。
等效原理是愛氏引力理論的一個物理性質，即在任何一個時空點上都可以選取適當的參考系，使一切物質的運動方程中不再含有引力項，即引力可以局部地消除。如果認為這種消除了引力的參考系是慣性系，那麼等效原理告訴我們，在任何一個時空點，一定存在局部慣性系。伽利略最早注意到，不同物體沿斜面的下滑運動是一樣的，即引力加速度與物體的組成無關。
等效原理是廣義相對論的第一個基本原理，也是整個廣義相對論的核心。其基本含義是指重力場與以適當加速度運動的參考系是等價的。
為什麼這裡要着重介紹等效原理，其實你仔細推敲狹義和廣義相對論的四條原理，最讓人產生疑惑的就是等效原理。其他三條原理，光速不變目前經受住了實驗考證，狹義相對性原理和廣義相對性原理，從數學推導上也能證明。唯獨這個等效原理，它其實沒有嚴格的實驗，這個思想的靈感來自於愛因斯坦的電梯實驗。
狹義相對論是以四維平直空間中的勻速直線運動為考察對象的，適用於一切慣性系，但無法說明非慣性系中的運動現象。為了克服狹義相對論的不足，將狹義相對論推廣到具有加速度的非慣性系中，愛因斯坦運用了電梯思想實驗為人們打開思路。
想像你身處一個密閉的電梯中，發現自己漂浮其中，那麼你如何區分自己是在太空中失重還是跟着電梯在地球的引力場中做自由落體運動？相反，如果你踏踏實實地被吸在電梯的地面上，你又如何判斷電梯是在太空中做加速運動還是電梯靜止在地球表面？這就是愛因斯坦等效原理的思想實驗來源。
電梯思想實驗告訴我們，引力場和加速度的效果是相等的。廣義相對論成功地拓展到了非慣性系中。
我來問你幾個問題，你回答了這些問題，就能清楚地明白，你是否真的理解了廣義相對論。
第一個問題：等效原理分弱等效原理和強等效原理，那麼廣義相對論到底是以弱等效原理為基礎，還是以強等效原理為基礎？弱等效原理的等價說法是「引力質量和慣性質量相等」。而「引力質量和慣性質量相等」是經歷過大量嚴格的實驗檢驗的。20世紀60年代，Dicke改進了Eotvos的實驗，把精度進一步提高到10-11，此後Braginsky和Basseler分別把實驗精度提高到10-12的精度。然而廣義相對論應該是以強等效原理為基礎的，因為它是一個基礎性理論，必須嚴格，適用範圍必須是全域的。而強等效原理現在是更強的假設，沒有經歷弱等效原理那樣嚴格的實驗檢驗，但是我們應當指出，廣義相對論的任何成功都是對強等效原理的有效支持，包括弱等效原理實驗精度的提高。
所以強等效原理的【引力場與慣性場的一切物理效應都是局域不可分辨的。】一切物理效應的檢驗，是一個巨大的挑戰。比如某種量子力學效應在引力場和慣性場中是否不同，我們其實並不知情。
第二個問題：為什麼等效原理定義里寫着「局域不可分別的」？很明顯，「局域」兩個字是一種限制，特定環境和狀態的限制。這就會牽扯出第三個問題：「既然是有限制的，那能稱得上廣義嗎？」
第四個問題：為什麼這麼多年了，在解釋等效原理的時候，我們總是拿電梯實驗來說呢，沒有比電梯實驗更好的實驗嗎？或者說這麼多年過去了，我們想不到比愛因斯坦更好的解釋方法嗎？我試着想過，可是一想到引力場和加速度這樣的概念，似乎也就只能按照「電梯實驗」思路來走，說明這也是一種「限制」。就好比牛頓，他其實知道引力質量和慣性質量相等的事實，他解釋不了，就認為是偶然。
愛因斯坦不認為是偶然，所以不斷思考，才有電梯實驗這樣的構想。可是我們如果想不到「電梯實驗」之外的想法和思路，是不是也有一種「偶然」的成分。
第五個問題：為什麼等效原理是把狹義相對論拓展到廣義相對論關鍵？是因為這裏面有加速度的概念了，也就是從慣性繫到非慣性系的過渡。但要注意，電梯實驗中的自由落體和加速都是等加速，不是加速度忽快忽慢這樣的情況。如果是這樣的情況，那麼引力場和慣性場是可以分辨的。始終別忘了非慣性系可以定義為與慣性參考系有相對加速度的參考系。
所以說電梯實驗其實是一種很特殊的情況，限制性其實相當大。這時候我來回答，第三個問題「既然是有限制的，那能稱得上廣義嗎？」答案是稱得上，雖然電梯實驗是一種理想而有特殊的情況，但確實可以反映一個事實，即引力場和慣性場局域等效。那麼以微分思想來看，有這麼一個點，就有無數個這樣的點，比如等加速9米每秒，10米每秒，甚至100米每秒，正好會有一個星球上的引力常數g數值，與這些數字相等，那麼電梯實驗就是普遍的。達到了以一斑窺全豹的目的，即從「微分」轉變為「積分」，實現了理論上的「廣義。」
敏感的人已經能夠發現了，引力場和慣性場局域等效的直接後果，就是把引力「慣性」化了。當把引力「慣性」後，你會發現似乎引力是一種「引力勢能」，而究其根源，是時空。所以愛因斯坦得出了引力是時空彎曲的幾何效應。該怎麼給你們更通俗的形容呢？就好比我們經常說慣性力，大家熟悉吧。慣性力日常生活常見，對我們影響也很大。一個對我們產生實實在在影響的力，卻不是真實的力，即我們認為慣性力不是力。現在引力對我們產生了實實在在的影響，我們也說它不是力。這樣解釋你應該好理解了，因為它沒有施力者啊。
如果真的按這樣的思路來論，那麼引力就不是力。
可是你有沒有想過，如果可以這樣解釋引力，那麼我是不是也可以這樣解釋慣性？解釋慣性力？你沒有想過？沒關係，有一個人叫馬赫，他想過。事實上，愛因斯坦也是汲取了他的思想，才得以構建了他的廣義相對論。
至此，你就明白了。引力不是力，是時空彎曲產生的幾何效應。真這樣論，那麼引力子就不存在，引力場也不存在。引力波還可以存在，因為引力波是時空的漣漪，即時空彎曲的波動證明。而且現在還證明了引力波傳遞速度是光速。
現在你終於明白，愛因斯坦為什麼說想像力比知識更重要了吧。但我要說的是，想像力雖然比知識更重要，但不能想像的想像力讓人覺得隱隱不安。而通過上面的討論，如此多的「限制」和「理想化」來支撐這一現代支柱理論，總讓人隱隱不安，害怕它的一個「支腿」不穩。
再問你最後一個問題，也就是本章的第六個問題：「廣義相對論是引力理論嗎？」沒錯，愛因斯坦是想把引力納入進狹義相對論的，納入不進去，才又苦思出廣義相對論。可是在我們看來，這個納入「引力」的廣義相對論，與其說是引力理論，不如說是時空理論。它必須先是時空理論，然後才是一種引力理論。
我的隱隱不安來自和愛因斯坦一樣的懷疑，即我們都相信引力質量和慣性質量相等不是偶然，藉此也解釋了引力的成因，即引力是時空彎曲產生的。可是為什麼還相信，慣性不需要解釋，也無法解釋呢？物體的慣性到底是誰賦予的？怎麼來的？不解釋這個，我時常會隱隱不安。
那麼我該怎麼解釋慣性的成因呢？就像我在《變化》的前幾章分析的那樣，我們不能犯和馬赫一樣的錯誤，我贊同愛因斯坦光速的理論。那麼就隱喻着慣性傳播具有光速。也就自然而然的拋棄了慣性是全宇宙時空使然的選擇了。那麼到底什麼使得物體具有慣性？我自然想到了引力質量和慣性質量相等，也想到了等效原理。那麼答案就似乎明了了，是引力。只有這個東西，才能滿足要求啊。即引力使得物體具有慣性！這是在《變化》中寫了N遍的思考。
可是這樣一想一寫，問題又來了。引力不是力，是時空彎曲的幾何效應。那麼引力使得物體具有慣性，就是說時空彎曲使得物體具有慣性。可是一旦和時空聯繫起來，必然出現超距問題。
所以我得質疑引力的成因到底是什麼了？也就是說引力是時空彎曲產生的幾何效應，要打上問號了。所以引力是力，就必須進入討論了。當引力是力的時候，傳播引力的粒子就是引力子，引力場的概念也就必須有了。如此引力的成因就變成了，在引力場中，物體通過傳遞引力子來相互作用的一種力。引力場當然是全域的，所以指向時空。約翰惠勒那句對於廣義相對論的經典解讀：「物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動。」即大質量物體的引力使得時空彎曲，時空彎曲又影響物體運動。
所以我在書中寫，愛因斯坦建立了一個了不起的理論，但在解釋的時候出現了錯誤。有人說你質疑相對論？我是懷着懷疑的態度來欣賞和致敬愛因斯坦的。廣義相對論首先是宇宙理論，場方程也是宇宙場方程。
這個時候你會發現，牛頓引力理論為什麼是正確的，也得到了答案。只是牛頓考慮的是靜態超光速宇宙，而愛因斯坦是結合時間的四維時空理論。
廣義相對論之所以難，相信通過上面的討論，你就有體會了。光一個等效原理就值得提問好多。那麼光速不變，時間，廣義相對性原理等等，又可以提問好多。它們的之間的關係，你都要融洽理解，才能助你更好理解廣義相對論。
讀到這裡，你應該很清楚地知道了，牛頓沒有能解釋清楚引力質量和慣性質量為什麼相等的原因，愛因斯坦也沒有解釋。雖然他相信這不是偶然，並以此建立了等效原理。可是等效原理有解釋引力質量和慣性質量相等的原因嗎？沒有。
如此你就明白了，等效原理的建立，來源於一個「嚴格相等的事實」，但這個事實並沒有得到嚴格的推理和論證。所以真正意義上的廣義相對論，叫廣義相對論，而不是愛因斯坦引力理論是非常正確的。廣義相對論首先不是引力理論，它是包含引力理論的理論！即從慣性繫到非慣性系的拓展理論，即全域性的場理論。所以它叫愛因斯坦場方程，我們把它稱作愛因斯坦引力場方程的時候，其實是對它的一種「限制」解讀。
那麼引力質量和慣性質量嚴格相等的原因是什麼呢？讀我《變化》的朋友都已經知道了，引力質量和慣性質量嚴格相等的原因是，慣性是由引力作用產生的，即引力是慣性的源泉。而引力的本質是引力場，即時空場對於物質的作用。如此引力子的存在就是合理的。引力也就肯定是力！那麼自然而然，科學家會想到要把引力和其他三種基本力做統一起來的努力。其大無外，其小無內，引力怎麼會和量子力學是背道而馳的呢？不會的，引力作為一種基本作用，與量子力學一定融洽的。
獨立學者，科普作家靈遁者科普作品。本章將收錄在靈遁者量子力學書籍《見微知著》中。
作者簡介：靈遁者，原名王銀，男。陝西人，現居西安。主要代表作品靈遁者科普四部曲《變化》《見微知著》《重構世界》《探索生命》。其他作品《相觀天下》《非線性波動》《我的世界》《筆有千鈞》《觸摸世界》等文學作品。
