如何理解爱因斯坦的引力理论

一名宇航员在一艘宇宙飞船中醒来，对她如何到达那里毫无记忆。独自坐在椅子上，她想：“我在宇宙的哪个地方？”

飞船没有窗户。仪器也已损坏。唯一的线索是椅子对她身体的推力。她想，总算有引力了。她的飞船一定还在地球上。

但随后她想到了第二种可能性。飞船可能正在太空中加速，像一辆加速的赛车一样将她压在座位上。从飞船内部来看，这——令人恐惧地——无法分辨。

这种太空旅行者的困境对于阿尔伯特·爱因斯坦来说并不陌生。他 1915 年的广义相对论建立在引力和加速度不仅容易混淆，而且是同一事物的观念之上。这种“爱因斯坦一生中最快乐的想法”的等效性，是他重新定义引力的起点。

广义相对论源于爱因斯坦的狭义相对论，该理论描述了光速（在真空中）如何始终保持不变。

根据相对论，在一个加速上升的电梯里发生的一切，在引力存在下也会发生。例如，想象一下，一个水平的激光在一个向上加速的电梯里。当光线横向传播时，电梯上升，导致激光束击中墙壁上的一个比起始点稍低的位置。如果电梯加速足够快，光束会明显地向下弯曲。

爱因斯坦证明，在强大的引力场中，静止电梯内的光束也会发生同样的事情；引力会弯曲光线。同样，他预计星光束在经过太阳引力时会发生弯曲。当恒星在 1919 年的日食期间移动时，这一预测得到了证实。

相对论解释了为什么卫星上的时钟比地球上的时钟每天快几十微秒；如果不考虑这种差异，GPS 技术就无法正常工作。

为了以这种方式联系加速度和引力，爱因斯坦推翻了他的一位偶像：艾萨克·牛顿。你可能学过牛顿将引力描述为一种力，一种将有质量的物体拉在一起的无形橡皮筋。牛顿的数学在预测从抛射物到行星的运动方面做得很好——但它将引力与加速度分开了。

爱因斯坦认为引力根本不是一种力。他将其描述为由质量和能量引起的时空曲率。感到困惑？这位德国物理学家也是如此，他为此理论奋斗了近十年。他得到了数学家马塞尔·格罗斯曼的帮助，格罗斯曼是他的一位老朋友，在他年轻时逃课时与他分享了他的笔记。

他们用 10 个方程写下的数学解释了引力如何通过扭曲的现实围绕物体移动，在不感觉到任何神秘的牛顿力的情况下加速。

相对论基础

爱因斯坦广义相对论背后的主要要点

1. 时间和空间既不是平坦的也不是固定的；它们被质量和能量弯曲和扭曲。

2. 引力不是一种力，而是时空的扭曲。

3. 在很小的空间范围内，引力的效应与加速度的效应无法区分。

相对论做出了许多奇异的预测，其中许多都得到了实验验证。它们之所以看似奇异，是因为我们在日常生活中注意不到它们——我们大多数情况下生活在牛顿的现实中。但在这之外，是爱因斯坦的宇宙，引力按照它的意愿弯曲着时空。以下是该理论一些最奇怪的副作用。

引力实际上会减慢时间。由恒星发出的光波会因为这种时间弯曲而拉长，靠近巨大天体的物体会衰老得更慢。超级精确的时钟，根据原子的振动来滴答作响，已经证实了引力会改变时间的流逝。

一个预测解决了一个长期存在的难题，那就是水星轨道中一个奇怪的摆动，牛顿的数学无法解释。（天文学家最初将其归咎于一颗名为“沃肯”的隐藏行星。）相对论解释了由于太阳强大引力扭曲空间而导致的怪异轨道。

这个故事最初以“一切皆相对”为题刊登在印刷版上。