一篇文章看懂廣義相對(duì)論，愛(ài)因斯坦是如何構(gòu)建時(shí)空彎曲?

為什么有人說(shuō)引力并不存在，為什么愛(ài)因斯坦認(rèn)為引力的本質(zhì)是時(shí)空彎曲效應(yīng)，為什么在黑洞附近待一小會(huì)，地球上可能會(huì)過(guò)去一千年。這一切都源于廣義相對(duì)論。文章將從廣義相對(duì)論的發(fā)現(xiàn)歷史，核心思想，驗(yàn)證過(guò)程循序漸進(jìn)地展開(kāi)，內(nèi)容即通俗又嚴(yán)謹(jǐn)，這也是你能看到為數(shù)不多關(guān)于廣義相對(duì)論的全面講解，雖然時(shí)間較長(zhǎng)，但看完此文章，你對(duì)廣義相對(duì)論的認(rèn)知將全面刷新。

要想講清楚廣義相對(duì)論 我認(rèn)為還得從愛(ài)因斯坦的想法講起

要想講清楚時(shí)空彎曲，我們需要將時(shí)間倒撥到100多年前。當(dāng)愛(ài)因斯坦在1905年首次發(fā)表狹義相對(duì)論的時(shí)候，他要么遭到嘲諷，要么被忽視。反正當(dāng)時(shí)大部分物理學(xué)家都無(wú)法理解狹義相對(duì)論中時(shí)間的流逝快慢會(huì)因?yàn)樗俣榷淖儭＿@種想法簡(jiǎn)直太奇怪了。甚至還有人攻擊愛(ài)因斯坦，說(shuō)他只是一個(gè)小小的專利審核員，哪有資格挑戰(zhàn)牛頓。甚至還有一些人攻擊愛(ài)因斯坦，將相對(duì)論稱其為“猶太科學(xué)”。

愛(ài)因斯坦面對(duì)這些批評(píng)，也并沒(méi)有回應(yīng)，因?yàn)閻?ài)因斯坦當(dāng)時(shí)也認(rèn)為自己的理論存在很多漏洞，比如狹義相對(duì)論只能解釋勻速直線運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。而真實(shí)的世界并非如此，他的理論無(wú)法解釋加速運(yùn)動(dòng)和引力。

直到六年后的某一天，愛(ài)因斯坦在辦公室摸魚時(shí)，突然看到了辦公室外的一個(gè)清潔工正在高處擦玻璃。當(dāng)時(shí)，愛(ài)因斯坦靈光一現(xiàn)，突然想到，如果工人摔下去，會(huì)發(fā)生怎么樣的情況？

這一想法也催生了20世紀(jì)最偉大的科學(xué)理論，即廣義相對(duì)論。愛(ài)因斯坦將自己帶入到工人的視角，他想象，工人在下落的過(guò)程中，支撐身體平衡的電磁力將不復(fù)存在，地心重力將是作用在他身上的唯一的力量，這時(shí)候工人就會(huì)做自由落體運(yùn)動(dòng)，那這種體驗(yàn)和太空失重感就沒(méi)有任何區(qū)別。

由于工人可以看見(jiàn)外面的環(huán)境，所以他依舊會(huì)認(rèn)為自己在地球上。

于是愛(ài)因斯坦就改進(jìn)了思想實(shí)驗(yàn)，如果工人在一個(gè)沒(méi)有窗戶的房間里，房間里面有一個(gè)體重秤，當(dāng)工人踩上這個(gè)秤的時(shí)候，會(huì)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(shí)，秤上顯示的體重就會(huì)和地面上是一樣的。所以在愛(ài)因斯坦看來(lái)，這個(gè)時(shí)候宇宙飛船內(nèi)的人感受到“重力”就和地面上是沒(méi)有區(qū)別的。由于房間并沒(méi)有窗戶，那理論上這個(gè)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(shí)候，愛(ài)因斯坦就反問(wèn)自己，有沒(méi)有辦法可以區(qū)分這兩者？

于是，愛(ài)因斯坦接著想象到，如果宇宙飛船向上加速時(shí)，這個(gè)人拿著手電筒，照向飛船內(nèi)房間的墻壁上，會(huì)發(fā)生什么？首先這個(gè)人會(huì)發(fā)現(xiàn)照向墻壁的光線高度會(huì)略低于手電筒的高度。

那為什么會(huì)這樣呢？

因?yàn)楣饩€在房間內(nèi)傳播時(shí)，房間的地板向上會(huì)有一個(gè)加速度，所以房間的地板，就會(huì)以一定的加速度靠近光線。這時(shí)候光線看起來(lái)就是向下彎曲的。

然而，如果這個(gè)人站在地面上，再掏出手電筒照向墻壁，難道這時(shí)候的光線會(huì)是直線的嗎？

答案肯定不是的， 因?yàn)轱w船的加速度應(yīng)該和地面上的引力效果是一樣的。所以即便這個(gè)人站在地面上，這時(shí)候的光線在地球引力的作用下，應(yīng)該也是向下彎曲的。

然后愛(ài)因斯坦很快意識(shí)到，這好像有點(diǎn)不對(duì)吧？

因?yàn)楣饩€總是沿著最短的路徑前進(jìn)，而彎曲的光線看起來(lái)比直線更長(zhǎng)，這彎曲的光線怎么可能會(huì)是最短路徑呢？

但很快，愛(ài)因斯坦反應(yīng)過(guò)來(lái)，地球是一個(gè)球體，或許兩點(diǎn)之間最短的路徑并不是直線，而是曲線。

因?yàn)樵谡麄€(gè)地球視角來(lái)看，地球上任何兩點(diǎn)之間的最短路徑，永遠(yuǎn)不可能是直線，因?yàn)槟憧傄┻^(guò)地球的曲率。所以地面上兩點(diǎn)之間最短的路徑總是彎曲的。

或許引力以某種方式導(dǎo)致了空間本身的彎曲。在這彎曲的空間中，光線沿著曲線運(yùn)動(dòng)，反而是兩點(diǎn)之間最短的路徑。這就是對(duì)廣義相對(duì)論開(kāi)竅的關(guān)鍵點(diǎn)。

1911年愛(ài)因斯坦提出了等效原理，但如果要用數(shù)學(xué)量化這種思想，卻非常難。即便是像愛(ài)因斯坦這樣的天才，也很難在短時(shí)間內(nèi)將他的想法用數(shù)學(xué)公式表達(dá)出來(lái)。所以他很快聯(lián)系到了大學(xué)時(shí)期的同學(xué)-格羅斯曼。

格羅斯曼

好巧不巧的是，格羅斯曼這時(shí)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(xué)，其研究方向正是愛(ài)因斯坦此時(shí)最需要搞清楚的知識(shí)盲區(qū)。這對(duì)那時(shí)的愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直就是雪中送炭。

在格羅斯曼的幫助下，愛(ài)因斯坦大致弄清楚了，彎曲時(shí)空中的數(shù)學(xué)模型。而這種彎曲的幾何形狀，正是廣義相對(duì)論的核心數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

在牛頓的引力框架中，時(shí)間和空間是彼此獨(dú)立的，兩者沒(méi)有半毛錢關(guān)系。而引力只是一種無(wú)法解釋的神秘力量，在牛頓力學(xué)中，引力并不會(huì)影響空間和時(shí)間。

而在愛(ài)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(shí)空和有質(zhì)量物體相互作用產(chǎn)生的共同結(jié)果。后來(lái)，物理學(xué)家約翰·惠勒用20個(gè)字簡(jiǎn)略地總結(jié)了廣義相對(duì)論的核心思想。

那就是 ：時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲。

所以行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)就不能以神秘的引力來(lái)解釋了，而是用質(zhì)量和能量會(huì)使其周圍的空間發(fā)生彎曲來(lái)解釋。

在大部分科普中，會(huì)通過(guò)彎曲的二維視角呈現(xiàn)時(shí)空彎曲效應(yīng)，但這并不是真實(shí)情況。

真實(shí)的時(shí)空彎曲是發(fā)生在三維空間中的。所以看起來(lái)更像是這個(gè)樣子的。

到了1916年，愛(ài)因斯坦已經(jīng)正式發(fā)表了廣義相對(duì)論。但卻面臨著諸多質(zhì)疑。為了打破這些質(zhì)疑，愛(ài)因斯坦就要用實(shí)踐測(cè)驗(yàn)廣義相對(duì)論的正確性。

對(duì)廣義相對(duì)論最早理論上的測(cè)驗(yàn)是水星的軌道問(wèn)題。

自牛頓力學(xué)誕生以來(lái)，人類用盡各種理論都無(wú)法解釋水星軌道的運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樘?yáng)系其他行星都是以橢圓形繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的，而水星則不同。

水星是距離太陽(yáng)最近的一顆行星，它在整體上雖然也是以橢圓軌道繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的。但卻會(huì)出現(xiàn)一些遠(yuǎn)超預(yù)期的軌跡。水星每圍繞太陽(yáng)一周，其橢圓軌道距離太陽(yáng)最近時(shí)總會(huì)向前移動(dòng)一點(diǎn)，水星軌道并不會(huì)和其他行星那樣，保持周期重復(fù)的橢圓軌道。牛頓力學(xué)無(wú)法解釋這個(gè)問(wèn)題。而愛(ài)因斯坦用自己的引力場(chǎng)方程，就能精確地預(yù)測(cè)水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)問(wèn)題。其理論預(yù)測(cè)和水星的實(shí)際軌道表現(xiàn)完全吻合。

但即使廣義相對(duì)論已經(jīng)成功預(yù)測(cè)了水星進(jìn)動(dòng)問(wèn)題，但依舊沒(méi)有消滅質(zhì)疑聲，為了徹底打消這些質(zhì)疑，愛(ài)因斯坦計(jì)劃用更具說(shuō)服力的實(shí)驗(yàn)證明廣義相對(duì)論的正確性。這便是日全食實(shí)驗(yàn)。

1919年，英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，在日全食期間拍攝了大量太陽(yáng)附近恒星的照片。如果愛(ài)因斯坦是對(duì)的，那么，太陽(yáng)附近恒星的位置，將與平常夜間看到的位置不同。

之所以會(huì)這樣子，是因?yàn)楫?dāng)恒星發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)，會(huì)因太陽(yáng)彎曲了周圍的時(shí)空，導(dǎo)致光線也發(fā)生彎曲。

雖然牛頓引力理論也能預(yù)言這種光線彎曲，但是彎曲的程度和廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)值是不同的。最后觀測(cè)團(tuán)隊(duì)矯正了測(cè)量數(shù)據(jù)，其結(jié)果十分符合廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)。

這時(shí)候愛(ài)因斯坦一戰(zhàn)成名，廣義相對(duì)論也被推上神壇。

廣義相對(duì)論的核心是說(shuō)質(zhì)量會(huì)彎曲時(shí)空，而時(shí)空是空間和時(shí)間的結(jié)合。質(zhì)量能彎曲空間還可以理解，為什么時(shí)間也會(huì)被彎曲呢？

因?yàn)樵讵M義相對(duì)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(jīng)過(guò)彎曲的空間，其走過(guò)的路徑會(huì)比平直空間更多一點(diǎn)。而光速又是恒定的。

時(shí)間等于光經(jīng)過(guò)的路程除以光速。光在彎曲空間和平直空間經(jīng)過(guò)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(shí)間，也就是說(shuō)，只能是時(shí)間發(fā)生改變才能維持光速恒定。所以在彎曲的引力場(chǎng)中，時(shí)間流逝地會(huì)更慢。

換一句話說(shuō)，質(zhì)量越大的天體，其周圍的空間彎曲程度越大，其時(shí)間也變得更慢。

而在宇宙中，超大質(zhì)量天體的最終命運(yùn)都會(huì)變成黑洞。所以我們才說(shuō)在黑洞周圍，其時(shí)間流逝，會(huì)相對(duì)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(xiàn)在知道，黑洞中心是一個(gè)體積無(wú)限小，密度無(wú)限大的奇點(diǎn)。那么黑洞奇點(diǎn)的時(shí)空曲率也會(huì)變得無(wú)限大。所以奇點(diǎn)的時(shí)間會(huì)變得無(wú)限慢，也就意味著時(shí)間靜止。

但很遺憾，以上只是物理學(xué)的猜測(cè)，因?yàn)楝F(xiàn)在的物理理論無(wú)法處理無(wú)窮大的問(wèn)題，所以廣義相對(duì)論在解釋黑洞奇點(diǎn)問(wèn)題上是失效的。

如果要真正解釋這個(gè)問(wèn)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(méi)有建立這樣的理論，這也是物理學(xué)面臨的最大的問(wèn)題之一。