100年來(lái)，廣義相對(duì)論仍然是科學(xué)家對(duì)引力的最佳理解，也是我們理解宇宙最宏大尺度的關(guān)鍵。它用數(shù)學(xué)精確地解釋了質(zhì)量和能量的分布是如何扭曲了時(shí)空，基本思想是十分簡(jiǎn)潔，不需要特別專業(yè)的知識(shí)就能理解。
愛(ài)因斯坦
廣義相對(duì)論和萬(wàn)有引力
廣義相對(duì)論主要論點(diǎn)是質(zhì)量本身會(huì)導(dǎo)致時(shí)空彎曲。一個(gè)物體的質(zhì)量越大，它周圍的空間就越扭曲。它的場(chǎng)方程描述了質(zhì)量與空間曲率和時(shí)間膨脹之間的關(guān)系。當(dāng)一個(gè)小質(zhì)量的物體，在大質(zhì)量的物體附近運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，也就是在大質(zhì)量物體導(dǎo)致的這樣的彎曲的時(shí)空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，小質(zhì)量物體會(huì)按照它自身所認(rèn)為的最短距離進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，但是因?yàn)闀r(shí)空已經(jīng)彎曲了，所以這個(gè)最短距離的路徑一定是曲線，而不是直線。并由此為基礎(chǔ)導(dǎo)致了一系列的這個(gè)大質(zhì)量物體之間運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。它是基于由黎曼幾何和非歐幾里得幾何等一系列計(jì)算，去確定物體的運(yùn)動(dòng)方程，這是一個(gè)動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)學(xué)的方程，最后的描述還是由運(yùn)動(dòng)學(xué)方程所決定的。
質(zhì)量導(dǎo)致時(shí)空彎曲
而之前，在天文學(xué)和引力方面，一直是牛頓的天下。萬(wàn)有引力定律可以解釋低速情況下大質(zhì)量或者說(shuō)任何帶質(zhì)量物體之間受到的力。它在粗略的測(cè)量和觀測(cè)當(dāng)中都是正確的。但是它解釋不了很多問(wèn)題，比如說(shuō)兩個(gè)天體的高速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，像是某天體以0.1個(gè)光速向另一個(gè)天體移動(dòng)的時(shí)候，萬(wàn)有引力在這里就會(huì)計(jì)算失敗。因?yàn)槲覀冎?，根?jù)狹義相對(duì)論，在高速運(yùn)動(dòng)里，質(zhì)量會(huì)隨速度而增加。再比如說(shuō)如果天體發(fā)生融合，它們相互旋轉(zhuǎn)、加速，這個(gè)體系中的質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化，從而引起空間的扭曲發(fā)生變化，這些都是要用引力波，用廣義相對(duì)論時(shí)空彎曲的角度才能去解釋，像萬(wàn)有引力的這種簡(jiǎn)單的模型是不可以的。
牛頓萬(wàn)有引力定律
廣義相對(duì)論的誕生
1907年，在他的狹義相對(duì)論發(fā)表兩年后，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦意識(shí)到一個(gè)問(wèn)題：狹義相對(duì)論不能應(yīng)用于引力或正在承受加速度的物體。想象有一個(gè)人在地球上一個(gè)封閉空間里，他在這里能感覺(jué)到地球的重力場(chǎng)，比如說(shuō)他重復(fù)比薩斜塔的實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)球都擁有9.8米每秒的加速度（即地球的重力加速度）?，F(xiàn)在把同樣的空間放在太空中，遠(yuǎn)離任何物體的重力影響，如果該空間也被施以9.8米每秒的加速度（我們可以想象火箭推著這個(gè)空間往上走），同樣重復(fù)薩斜塔的實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)球還是擁有9.8米每秒的加速度，這個(gè)人在這個(gè)空間里不可能分辨出他們感受到的是重力還是勻加速。
愛(ài)因斯坦于是思考，如果是光，那么它在加速中會(huì)如何表現(xiàn)。如果在房間桌子上平放一個(gè)手電筒，因?yàn)榧铀?，燈光看起?lái)是向下彎曲的，并且最后和地板相交。光在重力場(chǎng)中會(huì)發(fā)生了彎曲。
廣義相對(duì)論公式
愛(ài)因斯坦又花了幾年時(shí)間才找到這些思想的正確數(shù)學(xué)表達(dá)式。1912年，愛(ài)因斯坦的朋友、數(shù)學(xué)家馬塞爾·格羅斯曼(Marcel Grossman)向他介紹了伯恩哈德·黎曼(Bernhard Riemann)、圖利奧·萊維-西維塔(Tullio Levi-Civita)和格雷戈里奧·里奇-庫(kù)巴斯特羅(Gregorio riccio - curbastro)的張量分析，這使他能夠在不同的坐標(biāo)系中以相同的方式表達(dá)物理定律。
又過(guò)了三年艱苦的工作，在1915年11月，愛(ài)因斯坦發(fā)表了四篇論文，奠定了該理論的基礎(chǔ)。
廣義相對(duì)論是對(duì)的嗎？
我們?cè)趺粗缾?ài)因斯坦的理論是正確的呢？自100年前發(fā)表以來(lái)，該理論已經(jīng)通過(guò)了很多的各個(gè)方面的測(cè)試。
愛(ài)因斯坦用廣義相對(duì)論成功來(lái)解釋了水星近日點(diǎn)的移動(dòng)。水星最接近太陽(yáng)的地方，即近日點(diǎn)，會(huì)發(fā)生移動(dòng)。這在愛(ài)因斯坦之前，一直是一個(gè)謎，用太陽(yáng)和其他行星的引力完全解釋不了。在19世紀(jì)，甚至有人認(rèn)為在太陽(yáng)附近還有一顆新的行星——火神星。但事實(shí)上并沒(méi)有這樣的星球，愛(ài)因斯坦從第一性原理計(jì)算出了水星近日點(diǎn)的移動(dòng)。
左上為亞瑟·愛(ài)丁頓，右上為安德魯·克羅姆林，下圖為日全食
在科學(xué)世界里，對(duì)任何理論的一個(gè)檢驗(yàn)是，看它能否預(yù)測(cè)到尚未被觀察到的東西。廣義相對(duì)論預(yù)言光在引力場(chǎng)中會(huì)發(fā)生彎曲。1919年，英國(guó)天文學(xué)家亞瑟·愛(ài)丁頓和安德魯·克羅姆林觀測(cè)發(fā)生在巴西索布拉爾的日全食。根據(jù)廣義相對(duì)論，一顆恒星發(fā)出的光，在經(jīng)過(guò)太陽(yáng)這顆大質(zhì)量恒星時(shí)，會(huì)發(fā)生一定的扭曲。但這在平時(shí)很難測(cè)量。但在日全食時(shí)，月球擋住了來(lái)自太陽(yáng)的強(qiáng)光，恒星發(fā)出的光比較容易被觀測(cè)，通過(guò)那個(gè)時(shí)候拍攝的照片，他們測(cè)量并計(jì)算了恒星光線的偏轉(zhuǎn)角度，結(jié)果與愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的基本吻合。廣義相對(duì)論立即舉世聞名。
廣義相對(duì)論現(xiàn)在可能是只有物理系研究生時(shí)才會(huì)學(xué)到，但它其實(shí)在我們生活里無(wú)所不在，比如，在今天，我們的GPS衛(wèi)星也必須考慮到廣義相對(duì)論效應(yīng)，才能為地球上我人們提供精確的位置測(cè)量。
如果我們對(duì)于這個(gè)理論一無(wú)所知，實(shí)在太過(guò)遺憾。而且，通過(guò)狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，我們也可以對(duì)愛(ài)因斯坦這位天才的科學(xué)家的思維過(guò)程有個(gè)線索，沒(méi)準(zhǔn)兒哪天也能在生活工作里，讓我們靈光一閃。
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