一篇文章看懂广义相对论，爱因斯坦是如何构建时空弯曲?

为什么有人说引力并不存在，为什么爱因斯坦认为引力的本质是时空弯曲效应，为什么在黑洞附近待一小会，地球上可能会过去一千年。这一切都源于广义相对论。文章将从广义相对论的发现历史，核心思想，验证过程循序渐进地展开，内容即通俗又严谨，这也是你能看到为数不多关于广义相对论的全面讲解，虽然时间较长，但看完此文章，你对广义相对论的认知将全面刷新。

要想讲清楚广义相对论 我认为还得从爱因斯坦的想法讲起

要想讲清楚时空弯曲，我们需要将时间倒拨到100多年前。当爱因斯坦在1905年首次发表狭义相对论的时候，他要么遭到嘲讽，要么被忽视。反正当时大部分物理学家都无法理解狭义相对论中时间的流逝快慢会因为速度而改变。这种想法简直太奇怪了。甚至还有人攻击爱因斯坦，说他只是一个小小的专利审核员，哪有资格挑战牛顿。甚至还有一些人攻击爱因斯坦，将相对论称其为“犹太科学”。

爱因斯坦面对这些批评，也并没有回应，因为爱因斯坦当时也认为自己的理论存在很多漏洞，比如狭义相对论只能解释匀速直线运动现象。而真实的世界并非如此，他的理论无法解释加速运动和引力。

直到六年后的某一天，爱因斯坦在办公室摸鱼时，突然看到了办公室外的一个清洁工正在高处擦玻璃。当时，爱因斯坦灵光一现，突然想到，如果工人摔下去，会发生怎么样的情况？

这一想法也催生了20世纪最伟大的科学理论，即广义相对论。爱因斯坦将自己带入到工人的视角，他想象，工人在下落的过程中，支撑身体平衡的电磁力将不复存在，地心重力将是作用在他身上的唯一的力量，这时候工人就会做自由落体运动，那这种体验和太空失重感就没有任何区别。

由于工人可以看见外面的环境，所以他依旧会认为自己在地球上。

于是爱因斯坦就改进了思想实验，如果工人在一个没有窗户的房间里，房间里面有一个体重秤，当工人踩上这个秤的时候，会显示自己的体重。

如果在一艘太空飞船中，也有相同的房间，并且飞船以9.8米/s²的加速度向上飞行，那这一加速度就和地球上的重力加速度完全相同。

那工人再踩到飞船上的秤时，秤上显示的体重就会和地面上是一样的。所以在爱因斯坦看来，这个时候宇宙飞船内的人感受到“重力”就和地面上是没有区别的。由于房间并没有窗户，那理论上这个人就不知道自己到底处于太空飞船中，还是静止站在地球表面上的。这时候，爱因斯坦就反问自己，有没有办法可以区分这两者？

于是，爱因斯坦接着想象到，如果宇宙飞船向上加速时，这个人拿着手电筒，照向飞船内房间的墙壁上，会发生什么？首先这个人会发现照向墙壁的光线高度会略低于手电筒的高度。

那为什么会这样呢？

因为光线在房间内传播时，房间的地板向上会有一个加速度，所以房间的地板，就会以一定的加速度靠近光线。这时候光线看起来就是向下弯曲的。

然而，如果这个人站在地面上，再掏出手电筒照向墙壁，难道这时候的光线会是直线的吗？

答案肯定不是的， 因为飞船的加速度应该和地面上的引力效果是一样的。所以即便这个人站在地面上，这时候的光线在地球引力的作用下，应该也是向下弯曲的。

然后爱因斯坦很快意识到，这好像有点不对吧？

因为光线总是沿着最短的路径前进，而弯曲的光线看起来比直线更长，这弯曲的光线怎么可能会是最短路径呢？

但很快，爱因斯坦反应过来，地球是一个球体，或许两点之间最短的路径并不是直线，而是曲线。

因为在整个地球视角来看，地球上任何两点之间的最短路径，永远不可能是直线，因为你总要穿过地球的曲率。所以地面上两点之间最短的路径总是弯曲的。

或许引力以某种方式导致了空间本身的弯曲。在这弯曲的空间中，光线沿着曲线运动，反而是两点之间最短的路径。这就是对广义相对论开窍的关键点。

1911年爱因斯坦提出了等效原理，但如果要用数学量化这种思想，却非常难。即便是像爱因斯坦这样的天才，也很难在短时间内将他的想法用数学公式表达出来。所以他很快联系到了大学时期的同学-格罗斯曼。

格罗斯曼

好巧不巧的是，格罗斯曼这时候刚完成了他的博士论文，而论文的主题刚好就是弯曲空间的几何学，其研究方向正是爱因斯坦此时最需要搞清楚的知识盲区。这对那时的爱因斯坦来说简直就是雪中送炭。

在格罗斯曼的帮助下，爱因斯坦大致弄清楚了，弯曲时空中的数学模型。而这种弯曲的几何形状，正是广义相对论的核心数学基础。

在牛顿的引力框架中，时间和空间是彼此独立的，两者没有半毛钱关系。而引力只是一种无法解释的神秘力量，在牛顿力学中，引力并不会影响空间和时间。

而在爱因斯坦的理论中，引力并不是物体之间普遍存在的神秘力量。而是时空和有质量物体相互作用产生的共同结果。后来，物理学家约翰·惠勒用20个字简略地总结了广义相对论的核心思想。

那就是 ：时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲。

所以行星绕太阳运动就不能以神秘的引力来解释了，而是用质量和能量会使其周围的空间发生弯曲来解释。

在大部分科普中，会通过弯曲的二维视角呈现时空弯曲效应，但这并不是真实情况。

真实的时空弯曲是发生在三维空间中的。所以看起来更像是这个样子的。

到了1916年，爱因斯坦已经正式发表了广义相对论。但却面临着诸多质疑。为了打破这些质疑，爱因斯坦就要用实践测验广义相对论的正确性。

对广义相对论最早理论上的测验是水星的轨道问题。

自牛顿力学诞生以来，人类用尽各种理论都无法解释水星轨道的运动。因为太阳系其他行星都是以椭圆形绕太阳运动的，而水星则不同。

水星是距离太阳最近的一颗行星，它在整体上虽然也是以椭圆轨道绕太阳运动的。但却会出现一些远超预期的轨迹。水星每围绕太阳一周，其椭圆轨道距离太阳最近时总会向前移动一点，水星轨道并不会和其他行星那样，保持周期重复的椭圆轨道。牛顿力学无法解释这个问题。而爱因斯坦用自己的引力场方程，就能精确地预测水星近日点进动问题。其理论预测和水星的实际轨道表现完全吻合。

但即使广义相对论已经成功预测了水星进动问题，但依旧没有消灭质疑声，为了彻底打消这些质疑，爱因斯坦计划用更具说服力的实验证明广义相对论的正确性。这便是日全食实验。

1919年，英国天文学家爱丁顿带领的团队，在日全食期间拍摄了大量太阳附近恒星的照片。如果爱因斯坦是对的，那么，太阳附近恒星的位置，将与平常夜间看到的位置不同。

之所以会这样子，是因为当恒星发出的光线经过太阳附近时，会因太阳弯曲了周围的时空，导致光线也发生弯曲。

虽然牛顿引力理论也能预言这种光线弯曲，但是弯曲的程度和广义相对论的预测值是不同的。最后观测团队矫正了测量数据，其结果十分符合广义相对论的预测。

这时候爱因斯坦一战成名，广义相对论也被推上神坛。

广义相对论的核心是说质量会弯曲时空，而时空是空间和时间的结合。质量能弯曲空间还可以理解，为什么时间也会被弯曲呢？

因为在狭义相对论中，真空中的光速在任何情况下都是恒定的，这就意味着光一旦经过弯曲的空间，其走过的路径会比平直空间更多一点。而光速又是恒定的。

时间等于光经过的路程除以光速。光在弯曲空间和平直空间经过的路程完全不同，如果在弯曲空间的情况下，依旧要保持光速不变，那只能牺牲时间，也就是说，只能是时间发生改变才能维持光速恒定。所以在弯曲的引力场中，时间流逝地会更慢。

换一句话说，质量越大的天体，其周围的空间弯曲程度越大，其时间也变得更慢。

而在宇宙中，超大质量天体的最终命运都会变成黑洞。所以我们才说在黑洞周围，其时间流逝，会相对于地球上变得非常慢。具体慢多少？则取决于在黑洞周围待多久，以及距离黑洞视界有多近。

我们现在知道，黑洞中心是一个体积无限小，密度无限大的奇点。那么黑洞奇点的时空曲率也会变得无限大。所以奇点的时间会变得无限慢，也就意味着时间静止。

但很遗憾，以上只是物理学的猜测，因为现在的物理理论无法处理无穷大的问题，所以广义相对论在解释黑洞奇点问题上是失效的。

如果要真正解释这个问题，或许需要量子引力理论，也或者是更为全新的理论。但到目前为止，人类还并没有建立这样的理论，这也是物理学面临的最大的问题之一。