广义相对论是如何被爱因斯坦构建出来的 「广义相对论提出」

今天带来广义相对论是如何被爱因斯坦构建出来的 「广义相对论提出」，关于广义相对论是如何被爱因斯坦构建出来的 「广义相对论提出」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

学过大学物理的同学都明白狭义相对论有个基础，那就是狭义相对性原理，也就是说物体的运动是相对的，其取决于参照物的选取，这一点和初中物理学是一样的。狭义相对论和牛顿力学都对相对性原理没有异议，大家也保持了高度的一致性！

中学的我们一直认为牛顿力学很完美了，基本可以解决地球上所有力学问题。但是看似强大的牛顿力学遇见一个很简单的问题就被打趴下了。这就是相对性原理惹的祸。

举个事例，小明现在站在路上不动，而小红驾车匀速经过了小明的旁边。现在小明把小红作为了参照物，并认为小红静止，而自己运动了。而小红把自己作为参照物，并认为小明在运动。在牛顿力学中，这样的推理是完全正确的。可倘若此刻小红紧急刹车了，小红会感受到了明显的减速，身体并冲向车窗，好像有个力拉着她冲向前方（惯性作用，这里的力就是假想的惯性力）。那么为什么是自以为是静止的小红感受到了“力”，而不是自以为是运动的小明感受到“力”呢？

回顾一下初中参照物概念

这个问题很简单，初中生都可以发问的。即便面对如此简单的质疑，强大的牛顿力学都不能给出完美的解释。牛顿力学这么强大的巨人也有如此脆弱的一面。当然这个问题不仅牛顿力学解决不了，狭义相对论依旧无法解释！爱因斯坦也就是在对类似的问题深入思考后，逐步才引出了广义相对论的基本思想！

在爱因斯坦所在的那个年代，人们已经知道了电场，磁场，也明白了电磁场是统一的。电力和磁力的作用就是通过场来实现的，场就是一种物质作用到另一种物质上的中介。因此当时大多数物理学家是不相信隔空取物这种超距作用的。当然牛顿也一样，不过牛顿是意识不到引力作用的中介是场，因为他认为的中介是以太！

我现在问大家一个问题，并给出两种不同时代的回答：分别是200年前的人的答案和1907年的爱因斯坦回答！

我问你：“苹果为啥会落地，而不是往天上落”。200年前的人认为这是因为地球有吸引力啊，这是万有引力。如果你继续提问“万有引力是超距作用吗？”他们继续回答：当然不是啦，因为宇宙各处都充满了以太，以太是引力作用的介质。地球对苹果的吸引力是通过以太传到苹果上的！

在1907年的爱因斯坦看来，苹果会落地当然是受到了地球的引力，但是引力作用的介质绝对不是以太，因为以太早就被否定了。在爱因斯坦看来，电磁波也可以传递电磁力，这个看起来也像是引力那样的超距作用，但是电磁力并不是超距作用，电磁力是通过电磁场这种介质传导力的。那么引力是不是也是通过类似于电磁场的场传导引力的？如果是，姑且叫这种场为引力场！

如果有引力场，那么引力场就应该和电场，磁场有着同样的性质。电荷受力大小由所处位置的电场强度决定。

那么一个物体的引力大小是不是也受引力场强度决定。那么我们就可以得出一个等式，引力=引力质量×引力场强度。

回想高中学的物理，牛顿力学有两种可以直接计算物体的质量，一个是通过加速度来算，也就是牛顿第二定律的F=ma，另一个是万有引力公式。前者我们称之为惯性质量，后者叫引力质量！

为什么F=ma中的质量叫惯性质量呢？因为给两个不一样的物体施加相同的力，那么它们表现出的加速度会不一样，这是因为物体的质量差异引起的惯性大小的差异引起的，惯性越大，加速度越小！所以这种质量体现了物体的惯性，所以叫惯性质量！为什么万有引力公式的质量叫引力质量？因为任何物体除了有惯性的特征，还有相互吸引的特征，引力质量的就是物体相互吸引程度的一种量度！

所以说，惯性质量中的质量是物体惯性的度量，引力质量中的质量是物体相互吸引的量度！而在高中的计算中，我们一般默认了引力质量对于惯性质量，我们压根就不区分两者的差别。其实在爱因斯坦那个年代，没有人敢直接断言引力质量就等于惯性质量！

如果我们认为引力是通过场来传递的，姑且叫引力场。

引力场

那么引力的的计算除了牛顿的万有引力公式，那么还可以类比电场场强来计算。我们知道在电场中，电荷所受的力就是电场强度×电荷量。同理在引力场中，物体所受的力=引力场场强度×引力质量。同时我们又知道F=ma，也就是说力=惯性质量×加速度。于是，引力场场强度×引力质量=惯性质量×加速度。加速度=引力质量/惯性质量×引力场强度。

我们都知道，地球表面的重力加速度是个常数，不会因为质量的改变而改变。所以只有引力质量/惯性质量是个常数，自由落体的加速度就只和引力场强度有关，所以地球周围空间的重力加速度就只和引力场场强有关，而地球表面的引力场强度基本没有差别，所以地球表面的重力加速度就基本固定在9.8m/s²左右。

其实早在1889年，匈牙利物理学厄缶试图寻找引力质量和惯性质量之间的换算关系，最后得出引力质量和惯性质量等价的结论，但这只是实验上的结果，并没有理论上的验证。其实严谨来说在那时候只能肯定引力质量和惯性质量的比值是个常数，而还有很大一部分物理学默认这个常数就是1，也就是默认了引力质量和惯性质量等价。

这时候，爱因斯坦深思熟虑之后，把引力质量与惯性质量等价作为一个公设，以此才敲开了广义相对论的大门。

在这里不得不佩服爱因斯坦，他完全靠一个人的力量，想出了等效原理这个思想实验。在当时做实验是不可能的，于是爱因斯坦只能依靠其强大的头脑做实验。看完接下来的通俗解释，你也就明白了，为什么时空可以弯曲，光线会在引力场中会弯曲。

我们知道在电场中，电场会对电荷物质作用力。同理，在引力场中，引力场是否也会对有质量的物质作用力？

答案是肯定的，牛顿力学就能告诉我们了！牛顿当年持有光的微粒说，认为光是由极小的实物粒子构成，并具有质量。早在1704年，牛顿就认为具有质量的光粒子经过天体周围会受到引力作用，并发生弯曲。

在爱因斯坦看来，光子的确是粒子，不过光子可不是牛顿眼中的实物粒子，光子是一种量子，是不可再分的粒子。光子是核外电子释放的单位能量，由质能方程可得，能量会变成质量，所以运动的光子是具有质量的，光子同样是会受到引力作用的。所以光线经过天体周围会受到明显的引力作用而导致弯曲。

你看，不管是牛顿还是爱因斯坦都是认为光线会受到引力作用的！不过爱因斯坦对这个问题的认识尤为深刻，爱因斯坦从等效原理的角度重新审视了一遍光线弯曲。

如果你现在站在地面上，掌中平放一颗苹果，你肯定会感受到这颗苹果的重量，这是因为你的手给了苹果一个支撑力，同时苹果还给你手掌一个反作用力。你手掌感受到的这个反作用力就是苹果的重量。如果你再把手掌中的苹果静止释放掉，你会看到苹果自由落体的下坠。

再看看另一种情况，你现在又乘坐宇宙飞船在太空中飞行，假设你所在的宇宙空间很大范围内都没有大天体的引力干扰。宇宙飞船相对于地球以9.8m/s²的加速度垂直于飞船底部“向上”飞行。你站在飞船内部依旧拿着一颗苹果。

在飞船中拿着苹果的你

当然你和苹果相对于地球而言是和飞船一样都是保持9.8m/s²的加速度运动。你身体的加速度是飞船底部给你施加的支撑力产生的，苹果的加速度是你手掌的支撑力产生的。苹果同时给你手掌一个反作用力，于是你依旧可以感受到苹果的质量。如果你释放了苹果后会看到苹果在飞船内自由落体到底部。

飞船内苹果“自由落体”示意图

这是因为：由于苹果失去了手掌的支撑力，苹果就会依靠惯性运动，而飞船依旧按9.8m/s²的加速度运动，那么飞船底部就会以9.8m/s²的加速度触碰到苹果。而在飞船内的你，往往把飞船的底部作为参照物，那么看到的景象就是苹果以9.8m/s²下落到飞船的底部。

所以，这个人不管是静止站在地面上，还是坐在飞船里在宇宙深空以9.8m/s²的加速度运动，都会感受到苹果的质量，释放苹果后都会看到自由落体。就好像地球引力对苹果产生自由落体的作用效果和宇宙飞船以9.8m/s²加速度在宇宙深空飞行时产生的作用效果一样（如下图）。

左为以9.8m/s²飞行的飞船，右为地面

如果你拿着这颗苹果又去坐电梯，这时候电梯出事了，电梯的牵引绳断了。不考虑其他因素，我们可以认为电梯只受到地球引力而自由落体。你和手上的苹果也就只受到地球的引力，你们也是自由落体。你们都是以一样的初速度开启自由落体，那么在电梯内部看到的苹果就是漂浮起来的。如果把你放在宇宙深空中，引力场强度为0的地方，那么你和苹果依旧会漂浮在空中。也就是说我们压根就不能在一个封闭的空间中区分一个物体的漂浮起来到底是在重力作用下自由落体，还是这个物体处于宇宙深空中。同理我们也无法区分在一个密闭空间中的物体自由落体是在地球表面上进行的还是在宇宙深空中以9.8m/s²的加速度飞行呢？

等效原理示意图

为了加深理解，我们把爱因斯坦的等效原理重新换一个思路来理解。

我们来设想一个场景，塔吊见过吧，集装箱见过吧。如果把你塞进集装箱，并用塔吊吊起来。虽然你此时人处空中，但是这种感觉和你站在地面上没有任何区别。因为不管你是站在地面上，还是站在吊在半空中的集装箱中，你都会感受到来自地心的引力。而我们知道你受到的引力等于重力加速度G乘以你的质量。只不过这个引力与集装箱底部给你的支撑力抵消了，所以你是静止的。

换句话来说，你受到地球的引力数值只是通过重力加速度体现出来的。我们现在把地球拿掉，谁只要给我与地球表面同样的重力加速度，是不是就等效于地球给我施加的引力效果呢？

数值上来看，答案是肯定。因为引力质量可以等效于惯性质量。

那么现在我们把地球去掉，把这个集装箱置身于宇宙深空，不过这个集装箱在宇宙深空中，以与地面同样的重力加速度9.8m/s²垂直于集装箱底部向上飞行，那么站在集装箱内部的人拿了一个小球，当然这个人是能感受到小球的质量的。如果释放了小球，他会看到这个小球自由落体般的下落到电梯的底部。如果这个人不朝外面看，他压根就无法区分自己是站在地面上还是在宇宙深空中以9.8m/s²的加速度运动。在这里我们可以肯定的说，地球对人类的引力作用就等效于这个人在集装箱内部并在宇宙深空以9.8m/s²加速度飞行。上段已经叙述了！

那好，如果我们站在地球上，用一种方式可以观察到在宇宙深空以9.8m/s²运动的集装箱内部的信息。如果此时处在集装箱内部的人掏出一个手电，平行于集装箱底部垂直照射到集装箱壁部，那么在集装箱内部的人观察到的这条光线就是水平射向集装箱壁部的。

飞船内观察到光线的路径就是水平的

而我们地球上看到的这条光线将是怎样的景象呢？

由于集装箱有加速度，光线也有速度，这就相当高中学过的平抛运动。因为光线的方向是垂直于集装箱的加速度方向。我们知道光线是恒定速度，飞船的加速度是匀加速运动。同理于平抛运动，光线自然偏向加速度方向。所以地球上看到的在宇宙深空飞行的飞船内部发射的光线就是弯曲的。

地球人看到飞船内光线是弯曲的

前面已经说了很多次了，以加速度9.8m/s²在宇宙深空运动，就等效于站在地球表面上。那么我们可以把集装箱在宇宙深空以9.8m/s²的运动的这种情况可以等效于集装箱放在地球表面上不动。既然集装箱中的光线在宇宙深空中运动在地球人看来会是弯曲的，那么把以加速度9.8m/s²在宇宙深空飞行的飞船等效于放在地球表面的集装箱内的光线同样也会弯曲。不过由于地球的质量有限，我们并不能肉眼观测到明显的光线弯曲罢了！

为什么光线的弯曲会暗示时空的弯曲呢？

在解释这个原理之前，大家一定要切记光速是不变的，不管观察者怎么改变，光速都是不变的。

在宇宙深空以9.8m/s²加速度飞行的集装箱里面的人看到的光线是平行的，而地球上的人观察到的集装箱内的光线却是弯曲的。那么对同一个光线的观察，集装箱内的人和地球人会得出不同的效果。明显在地球上的人观察到的光线弯曲了，光线变长了。

也就是说，光线同样是抵达集装箱壁部，而地球人观察到的光线经过的长度要大于集装箱内部的人观察到的长度。我们知道光速又是距离除以时间，根据光速不变原理，集装箱内部的人和地球人测量的光速反正都是一样的。而地球人却明显感受到光线变长了，为了保持光速不变，也只能是地球人测量出的时间也变长。如果集装箱在宇宙深空运动的加速度越大，光线就越弯曲，地球人观察到光线抵达集装箱壁部所走的路程就越长，那么光速还不变，只能测量出的时间也就变得越长。由于集装箱内部的人观察到的光线是平行的，那么他在集装箱内部算出光线抵达集装箱壁部所用的时间就会比地球人短。

左为地球人看到的光线路径（弯曲），右为飞船内部人观测的光线路径（水平）

事实上，距离就是空间的度量，所以地球人看到的集装箱内部的时间和空间是会因为集装箱在宇宙深空以加速度运动的改变而改变！

所以集装箱内部的人和地球人对于同一个事件(光线从发出抵达到集装箱壁部)经历的时间和空间(简称时空)是完全不同的。

如果说，绝对时空是平直的，那么在宇宙深空以加速度运动的集装箱内部的时空就会因为加速度的改变而变成相对时空。平直时空是牛顿的绝对时空观，那么相对时空观就是弯曲的时空！

质量越大的天体其表面的重力加速度越大，就等效于以越大的引力加速度让集装箱在宇宙深空加速运动，那么加速度越大，地球人看到集装箱内部的光线越弯曲，又由于光速不变，于是观察到的时间和空间就越被拉长，也就越弯曲！

所以这些，你们明白了，为什么黑洞周围的时空如此弯曲，以至于人在黑洞视界外待一会，时间就相对于地球过的慢了！

有质量的物体存在就会弯曲周围的时空，这是广义相对论的结果。为了形象地解释这一结果，我们可以认为时空就相当是一张平直的弹簧床，有质量的物体存在就相当往床上放上一颗铁球，床面自然就会被弯曲掉。这就是爱因斯坦因为无法将万有引力纳入狭义相对论的框架，进而重新将引力定义为时空弯曲的结果！

时空弯曲

我们都知道广义相对论有两大基本原理：等效原理和广义相对性原理（把力引入到相对性原理中），但这两大原理并不都是1915年才完成的。其实等效原理早在1911年就被爱因斯坦提出了，那为什么直到1915年才完成广义相对论的基础工作呢？

其实1911年到1915年之间的爱因斯有受限于自己的数学能力。爱因斯坦这时候已经明白了时空弯曲理论了，但是如果把时空弯曲量化，就必须描述时空弯曲的曲率。而爱因斯坦并不是数学家，他需要用到当时最前沿的张量分析工具。爱因斯坦在数学家希尔伯特的帮助下，最终完成了引力场方程公式的推导。这一年是1915年，并于次年正式发表了自己的新理论——广义相对论。