一篇文章看懂廣義相對論，愛因斯坦是如何構建時空彎曲?

為什么有人說引力并不存在，為什么愛因斯坦認為引力的本質是時空彎曲效應，為什么在黑洞附近待一小會，地球上可能會過去一千年。這一切都源于廣義相對論。文章將從廣義相對論的發現歷史，核心思想，驗證過程循序漸進地展開，內容即通俗又嚴謹，這也是你能看到為數不多關于廣義相對論的全面講解，雖然時間較長，但看完此文章，你對廣義相對論的認知將全面刷新。

要想講清楚廣義相對論 我認為還得從愛因斯坦的想法講起

要想講清楚時空彎曲，我們需要將時間倒撥到100多年前。當愛因斯坦在1905年首次發表狹義相對論的時候，他要么遭到嘲諷，要么被忽視。反正當時大部分物理學家都無法理解狹義相對論中時間的流逝快慢會因為速度而改變。這種想法簡直太奇怪了。甚至還有人攻擊愛因斯坦，說他只是一個小小的專利審核員，哪有資格挑戰牛頓。甚至還有一些人攻擊愛因斯坦，將相對論稱其為“猶太科學”。

愛因斯坦面對這些批評，也并沒有回應，因為愛因斯坦當時也認為自己的理論存在很多漏洞，比如狹義相對論只能解釋勻速直線運動現象。而真實的世界并非如此，他的理論無法解釋加速運動和引力。

直到六年后的某一天，愛因斯坦在辦公室摸魚時，突然看到了辦公室外的一個清潔工正在高處擦玻璃。當時，愛因斯坦靈光一現，突然想到，如果工人摔下去，會發生怎么樣的情況？

這一想法也催生了20世紀最偉大的科學理論，即廣義相對論。愛因斯坦將自己帶入到工人的視角，他想象，工人在下落的過程中，支撐身體平衡的電磁力將不復存在，地心重力將是作用在他身上的唯一的力量，這時候工人就會做自由落體運動，那這種體驗和太空失重感就沒有任何區別。

由于工人可以看見外面的環境，所以他依舊會認為自己在地球上。

于是愛因斯坦就改進了思想實驗，如果工人在一個沒有窗戶的房間里，房間里面有一個體重秤，當工人踩上這個秤的時候，會顯示自己的體重。

如果在一艘太空飛船中，也有相同的房間，并且飛船以9.8米/s2的加速度向上飛行，那這一加速度就和地球上的重力加速度完全相同。

那工人再踩到飛船上的秤時，秤上顯示的體重就會和地面上是一樣的。所以在愛因斯坦看來，這個時候宇宙飛船內的人感受到“重力”就和地面上是沒有區別的。由于房間并沒有窗戶，那理論上這個人就不知道自己到底處于太空飛船中，還是靜止站在地球表面上的。這時候，愛因斯坦就反問自己，有沒有辦法可以區分這兩者？

于是，愛因斯坦接著想象到，如果宇宙飛船向上加速時，這個人拿著手電筒，照向飛船內房間的墻壁上，會發生什么？首先這個人會發現照向墻壁的光線高度會略低于手電筒的高度。

那為什么會這樣呢？

因為光線在房間內傳播時，房間的地板向上會有一個加速度，所以房間的地板，就會以一定的加速度靠近光線。這時候光線看起來就是向下彎曲的。

然而，如果這個人站在地面上，再掏出手電筒照向墻壁，難道這時候的光線會是直線的嗎？

答案肯定不是的， 因為飛船的加速度應該和地面上的引力效果是一樣的。所以即便這個人站在地面上，這時候的光線在地球引力的作用下，應該也是向下彎曲的。

然后愛因斯坦很快意識到，這好像有點不對吧？

因為光線總是沿著最短的路徑前進，而彎曲的光線看起來比直線更長，這彎曲的光線怎么可能會是最短路徑呢？

但很快，愛因斯坦反應過來，地球是一個球體，或許兩點之間最短的路徑并不是直線，而是曲線。

因為在整個地球視角來看，地球上任何兩點之間的最短路徑，永遠不可能是直線，因為你總要穿過地球的曲率。所以地面上兩點之間最短的路徑總是彎曲的。

或許引力以某種方式導致了空間本身的彎曲。在這彎曲的空間中，光線沿著曲線運動，反而是兩點之間最短的路徑。這就是對廣義相對論開竅的關鍵點。

1911年愛因斯坦提出了等效原理，但如果要用數學量化這種思想，卻非常難。即便是像愛因斯坦這樣的天才，也很難在短時間內將他的想法用數學公式表達出來。所以他很快聯系到了大學時期的同學-格羅斯曼。

格羅斯曼

好巧不巧的是，格羅斯曼這時候剛完成了他的博士論文，而論文的主題剛好就是彎曲空間的幾何學，其研究方向正是愛因斯坦此時最需要搞清楚的知識盲區。這對那時的愛因斯坦來說簡直就是雪中送炭。

在格羅斯曼的幫助下，愛因斯坦大致弄清楚了，彎曲時空中的數學模型。而這種彎曲的幾何形狀，正是廣義相對論的核心數學基礎。

在牛頓的引力框架中，時間和空間是彼此獨立的，兩者沒有半毛錢關系。而引力只是一種無法解釋的神秘力量，在牛頓力學中，引力并不會影響空間和時間。

而在愛因斯坦的理論中，引力并不是物體之間普遍存在的神秘力量。而是時空和有質量物體相互作用產生的共同結果。后來，物理學家約翰·惠勒用20個字簡略地總結了廣義相對論的核心思想。

那就是 ：時空告訴物質如何運動，物質告訴時空如何彎曲。

所以行星繞太陽運動就不能以神秘的引力來解釋了，而是用質量和能量會使其周圍的空間發生彎曲來解釋。

在大部分科普中，會通過彎曲的二維視角呈現時空彎曲效應，但這并不是真實情況。

真實的時空彎曲是發生在三維空間中的。所以看起來更像是這個樣子的。

到了1916年，愛因斯坦已經正式發表了廣義相對論。但卻面臨著諸多質疑。為了打破這些質疑，愛因斯坦就要用實踐測驗廣義相對論的正確性。

對廣義相對論最早理論上的測驗是水星的軌道問題。

自牛頓力學誕生以來，人類用盡各種理論都無法解釋水星軌道的運動。因為太陽系其他行星都是以橢圓形繞太陽運動的，而水星則不同。

水星是距離太陽最近的一顆行星，它在整體上雖然也是以橢圓軌道繞太陽運動的。但卻會出現一些遠超預期的軌跡。水星每圍繞太陽一周，其橢圓軌道距離太陽最近時總會向前移動一點，水星軌道并不會和其他行星那樣，保持周期重復的橢圓軌道。牛頓力學無法解釋這個問題。而愛因斯坦用自己的引力場方程，就能精確地預測水星近日點進動問題。其理論預測和水星的實際軌道表現完全吻合。

但即使廣義相對論已經成功預測了水星進動問題，但依舊沒有消滅質疑聲，為了徹底打消這些質疑，愛因斯坦計劃用更具說服力的實驗證明廣義相對論的正確性。這便是日全食實驗。

1919年，英國天文學家愛丁頓帶領的團隊，在日全食期間拍攝了大量太陽附近恒星的照片。如果愛因斯坦是對的，那么，太陽附近恒星的位置，將與平常夜間看到的位置不同。

之所以會這樣子，是因為當恒星發出的光線經過太陽附近時，會因太陽彎曲了周圍的時空，導致光線也發生彎曲。

雖然牛頓引力理論也能預言這種光線彎曲，但是彎曲的程度和廣義相對論的預測值是不同的。最后觀測團隊矯正了測量數據，其結果十分符合廣義相對論的預測。

這時候愛因斯坦一戰成名，廣義相對論也被推上神壇。

廣義相對論的核心是說質量會彎曲時空，而時空是空間和時間的結合。質量能彎曲空間還可以理解，為什么時間也會被彎曲呢？

因為在狹義相對論中，真空中的光速在任何情況下都是恒定的，這就意味著光一旦經過彎曲的空間，其走過的路徑會比平直空間更多一點。而光速又是恒定的。

時間等于光經過的路程除以光速。光在彎曲空間和平直空間經過的路程完全不同，如果在彎曲空間的情況下，依舊要保持光速不變，那只能犧牲時間，也就是說，只能是時間發生改變才能維持光速恒定。所以在彎曲的引力場中，時間流逝地會更慢。

換一句話說，質量越大的天體，其周圍的空間彎曲程度越大，其時間也變得更慢。

而在宇宙中，超大質量天體的最終命運都會變成黑洞。所以我們才說在黑洞周圍，其時間流逝，會相對于地球上變得非常慢。具體慢多少？則取決于在黑洞周圍待多久，以及距離黑洞視界有多近。

我們現在知道，黑洞中心是一個體積無限小，密度無限大的奇點。那么黑洞奇點的時空曲率也會變得無限大。所以奇點的時間會變得無限慢，也就意味著時間靜止。

但很遺憾，以上只是物理學的猜測，因為現在的物理理論無法處理無窮大的問題，所以廣義相對論在解釋黑洞奇點問題上是失效的。

如果要真正解釋這個問題，或許需要量子引力理論，也或者是更為全新的理論。但到目前為止，人類還并沒有建立這樣的理論，這也是物理學面臨的最大的問題之一。