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作者: [美]斯蒂芬·亚力山大（Stephon Alexander）
出版社: 河南科学技术出版社
副标题: 无限的空间里上演的一场即兴演出
原作名: The Jazz of Physics
译者: 符玥
出版年: 2020-5

空间远比运动在其中的物质更有趣

宇宙空间与把你和书本隔开的空间一样。几个世纪以来，哲学家和天文学家都假定空间是空无一物的，是一种真实物质运动于其中的“惰性介质”。然而，几千年后，睿智的哲学家证明这种观点是错误的。爱因斯坦就是其中之一，他敢于质疑已被广为接受的物理学基本假设，并向我们展示了：空间远比在其中运动的物质更有趣。

爱因斯坦首先质疑的就是引力。伽利略在比萨斜塔上所做的实验证明，两个质量不同的铁球会以相同的加速度下落。爱因斯坦把这个实验延展到了地球之外的太阳系，进而永久地改变了牛顿对引力和运动的描述。爱因斯坦从一个思想实验开始，下面是这个实验的现代版本。

假设一个人坐在静置于地球上的太空船中，另一个人坐在太空中的太空船里。地球上的人受到地球的引力，并且感觉不到运动。对太空中的人来说，只要太空船不动，他就会飘浮起来，因为太空中不存在引力。如果太空船加速，那么这个人就会感觉到自身具有重量，因为他会被推到太空船的地板上。爱因斯坦推断，一个人无法区分自己到底是静止于某个常引力场中，还是在空无一物的空间里做加速运动。他认为，这两种情况在物理学上是等价的，区别只在于运动的相对状态。这个“等价原理”（equivalence principle）正是爱因斯坦广义相对论的关键。

这个简单到甚至带着孩子气的想法，却把数学上最美妙的分支之一——微分几何，带到了引力物理学的前沿。微分几何可以用于描述一个坐标系统。利用坐标系统自身的性质，爱因斯坦概括了自己的理论，从而创建了广义相对论。他认为，时间与空间本身的结构是由物质的结构决定的。他把时间与空间统一为一个单一的坐标实体——时空，并且描述了它在物质和能量存在时是如何弯曲的，以及物质如何在弯曲的时空中运动。物理学界的泰斗约翰·惠勒（John Wheeler）曾说：“物质决定了时空如何弯曲，而弯曲的时空决定了物质如何运动。”

所以，在爱因斯坦太空船的例子中，一个乘客经历了加速度，是因为地球弯曲了空间，从而产生了引力。对另一个乘客而言，太空船助推器产生的能量弯曲了空间，从而使太空船加速。

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