摘要：在1905年，爱因斯坦发表狭义相对论后，这位当时还只是专利局小职员的物理学家并没有止步不前。他意识到自己的理论存在一个重大缺陷：它只能解释匀速直线运动的现象，却无法处理加速运动和引力问题。

苹果落地与光线弯曲，背后藏着同一个宇宙奥秘

在1905年，爱因斯坦发表狭义相对论后，这位当时还只是专利局小职员的物理学家并没有止步不前。他意识到自己的理论存在一个重大缺陷：它只能解释匀速直线运动的现象，却无法处理加速运动和引力问题。

爱因斯坦

这一切在1911年的一天发生了转机。爱因斯坦在办公室望着窗外的高楼，偶然看到一位清洁工在高处擦玻璃。他突然想：如果这位工人不小心摔下来，会发生什么？这个想法催生了20世纪最伟大的科学理论。

爱因斯坦想象着那位清洁工跌落的情景。在下落过程中，支撑身体平衡的电磁力将不复存在，地心引力成为作用在他身上的唯一力量。这时工人会做自由落体运动，这种体验和太空中的失重感没有任何区别。

他进一步改进这个思想实验：如果工人在一个没有窗户的房间里，房间内有一个体重秤。当工人踩上这个秤，会显示自己的体重。那么在一艘太空飞船中，如果飞船以9.8米/s²的加速度向上飞行，这种加速度就和地球上的重力加速度完全相同。

这时飞船内的人感受到的“重力”就和地面上没有区别。由于房间没有窗户，理论上这个人无法知道自己究竟是处于太空飞船中，还是静止站在地球表面上。

爱因斯坦意识到引力和加速度在局部上是等效的，这就是等效原理的核心思想。

爱因斯坦接着想象：如果宇宙飞船向上加速时，里面的人拿着手电筒照向飞船内的墙壁，会发生什么？结果发现光线在加速参考系中会弯曲。

因为光线在房间内传播时，房间的地板向上有一个加速度，所以地板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。

如果等效原理成立，那么在地球上，光线在引力场中也应该会弯曲。爱因斯坦很快意识到，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。

在整个地球视角来看，地面上任何两点之间的最短路径总是弯曲的。引力可能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，反而可能是两点之间最短的路径。

1911年爱因斯坦提出了等效原理，但要用数学量化这种思想却非常困难。即便是爱因斯坦这样的天才，也难以在短时间内将他的想法用数学公式表达出来。

于是他联系到了大学时期的同学——格罗斯曼。巧合的是，格罗斯曼刚完成博士论文，研究方向正是弯曲空间的几何学，这正好是爱因斯坦需要搞清楚的知识盲区。

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。这种弯曲的几何形状，成为了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，引力只是一种无法解释的神秘力量。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。

物理学家约翰·惠勒用20个字简洁地总结了广义相对论的核心思想：“时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲”。

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，需要用实践检验广义相对论的正确性。

对广义相对论最早的理论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。

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。

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。

但即使这样，仍然没有消灭所有质疑声。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。这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不同。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。爱因斯坦因此一战成名，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？

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。

广义相对论不仅解释了引力的本质，还为我们理解许多宇宙现象提供了有力的工具，如黑洞、引力波等。

黑洞是一种引力极其强大的天体，其质量巨大，使得周围的时空极度弯曲，甚至连光都无法逃脱其引力的束缚。引力波则是时空的涟漪，当宇宙中发生剧烈的天体事件，如黑洞合并、中子星碰撞时，会产生强大的引力波，以光速在宇宙中传播。

现在我们都知道，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。

然而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。要真正解释这个问题，或许需要量子引力理论，或者更为全新的理论。

爱因斯坦的广义相对论彻底改变了我们对时空和引力的认识。他将引力解释为时空弯曲的效应，而不是一种神秘的力量，这一观点彻底颠覆了我们对引力的传统认知，将引力与时空的几何性质紧密联系在一起。

想象一个二维的弹性布，它代表着平坦的时空。当我们在这块弹性布上放置一个质量较大的物体，比如一个铅球时，铅球的质量会使弹性布发生凹陷，形成一个弯曲的表面。

在这个弯曲的时空里，物体的运动轨迹会发生改变。如果我们在弹性布上滚动一个小球，小球会沿着弯曲的表面运动，而不是像在平坦表面上那样做直线运动。

同样地，在宇宙中，行星绕着太阳运动，并不是因为太阳对行星施加了一种神秘的引力，而是因为太阳的巨大质量使得其周围的时空发生了弯曲，行星沿着弯曲时空的测地线运动，从而形成了我们所看到的行星轨道。

今天，广义相对论不仅是理论物理的重要基础，也已经应用于日常技术中。从GPS导航系统的精确定位到宇宙学的研究，爱因斯坦的理论继续指引着我们探索宇宙的奥秘。

这位曾经饱受质疑的专利局职员，用他超凡的想象力和深刻的物理直觉，永远改变了我们对宇宙的理解。

阿尔伯特·爱因斯坦（1879-1955）

德国出生的理论物理学家，现代物理学之父之一，提出狭义相对论和广义相对论，彻底改变人类对空间、时间和引力的理解。1921年因对理论物理的贡献获得诺贝尔物理学奖。

来源：世事传真