玄奥的引力，其本质竟是时空弯曲，如何从电梯坠落洞见真理

大家好，今天我们来聊一聊无处不在却又充满神秘的引力。万有引力定律最早是由牛顿在17世纪提出，随后的一、二百年间牛顿的理论几乎是无往不利，可是在一些更深入的问题上，牛顿万有引力定律却出现了难以弥合的偏差。比如，光速矛盾，以太之迷，水星进动问题……

接下来，就该本文主角爱因斯坦登场了。在文章开始前，小编先说明一下，我并不是资深专业人士，知识上或许有不足之处，各位看官阅读文章就权当消遣。文章中有许多打比方的说明方式，笼统地加以形容，但真实的物理知识比这要复杂得多，而且必须用严格的数学来加以描述。

1905年，被誉为物理学的奇迹之年，这一年，年仅26岁的爱因斯坦发表了5篇划时代的论文。每一篇都开启了一个全新的物理领域。其中，最重要的就是6月30日发表的《论动体电动力学》，也就是狭义相对论。它以“光速不变”为基础推导出了一整套全新的物理体系，弥补了牛顿旧有时空观念的薄弱之处。

狭义相对论横空出世之后，爱因斯坦一跃成为物理学界的新星，他的生活环境也随之改善。可是一直有一道坎，横在爱因斯坦的心中。那就是，狭义相对论只能描述匀速运动和惯性系，对于加速运动或非惯性系却束手无策。但是，我们生活的现实世界几乎不存在匀速运动和惯性系统。我们脚下的地球在围绕太阳转，太阳又带着八大行星围绕银河系中心旋转。狭义相对论似乎只是花哨的数学魔术，对于解决实际问题没有一点作用。

广义相对论的种子在爱因斯坦的心中悄然萌发，为此爱因斯坦努力了许久，但都收效甚微。天才的顿悟就差那灵光一闪了。好比，牛顿因为苹果落在头上，而创立出万有引力定律。据传，正当爱因斯坦为广义相对论绞尽脑汁时，在报纸上看见一则新闻，一位装修工人在工作时，不小心从大楼顶层坠亡。爱因斯坦受此启发，完成了一个至关重要的思维实验。

当实验者准备乘电梯从摩天大楼顶层至底楼时，他进入全封闭的厢式电梯。突然，电梯线缆断裂，电梯加速坠向地面。实验者在电梯里就会有失重的感觉。那如果我们把这截全封闭的电梯带到太空，里面的实验者同样也会有失重的感觉。但是在全封闭的电梯里，实验者是无法分辨到底是因为加速度还是引力的原因造成自己失重的。

加速度和引力带来的效果是相同的，这就是等效原理。可别小看这个推论，它的意义相当于“光速不变”之于狭义相对论。打通这一关节后，爱因斯坦以等效原理作为基石，黎曼几何作为工具，逐步建立完善了广义相对论。广义相对论在宏观上对引力的诠释堪称完美——物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。

在爱因斯坦的广义相对论中，引力被描述为一种时空弯曲的现象。我们想象，时空就像一张弹簧床，而天体则是大大小小的球类。在一张弹簧床上放一个大质量的铅球。它会把弹簧床压成一个凹洞，再把小质量的弹珠放在凹洞边，它就会沿着凹洞慢慢滚向铅球。这就像大质量的天体用引力“拉”着小天体一样，其本质就是一种时空弯曲的现象。

爱因斯坦是怎样由“等效原理”洞见到引力的本质的呢？我们还是用电梯来做一场思维实验。

假设，电梯正在快速向上运行，我们在电梯门上钻一个小孔，让一束光射进来，当光线穿过电梯，投射到电梯后壁时，由于电梯已向上运行了一段距离，光线不可能平行地以一条直线照射到后壁对应的位置。从上帝视角来看，光线会向下走一条抛物线，落在电梯后壁上。

由于引力和加速度是等效的，电梯静止放置在地面上，光线也会因为受到地球的引力而向下偏折——引力的本质就是时空的弯曲！

这看似简单的思维实验，背后的道理凝结了爱因斯坦十年的心血。广义相对论中的引力场方程艰难诞生后，物理学家们可以用准确的数学语言计算、描述广袤的宇宙，以此为基础，随后的几十年间，一个个诺奖级的惊世预言纷纷呈现在世人眼前：引力减缓时间，引力红移，黑洞，虫洞，引力波……

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