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广义相对论是如何产生的？

在20世纪开始不久的1915年，一位36岁的物理学者提出了一个颠覆人类常识的大理论，这就是广义相对论。简单地说，广义相对论就是这样一条理论：任何一个物体的重量（质量）都能引起时空的扭曲，产生引力。

天才物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879～1955）是如何建立这个伟大理论的呢？

图1 1915年，36岁的爱因斯坦在柏林大学当教授时发表了有关广义相对论的最初的论文。

“狭义相对论”提出，空间和时间不是绝对的

在广义相对论诞生大约10年前，1905年，爱因斯坦发表了“狭义相对论”。狭义相对论极大地改变了当时物理学对时间和空间的认识。

英国物理学家艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1642～1727）确立的物理学基础—牛顿力学认为，空间的间隔（物体的长度）和时间的流逝是绝对的，从任何时间点、对任何观察者来说都是一样的。即，1米的尺，任何时候、任何人看都是一样长的；1秒，任何时候、在宇宙的任何地方经过的都是1秒。

 但是，狭义相对论认为，物体的长度和时间的流逝，是随着不同的状况变化的。运动越快的物体长度越短，时间流逝得越慢。

认为引力是时空的扭曲产生的，这就是“广义相对论”

狭义相对论和牛顿力学之间有很大的矛盾。根据狭义相对论，自然界的最高速度是真空中的光速，每秒为30万千米。而牛顿力学认为，所有物体之间，都有与之成正比例的“万有引力”互相吸引（万有引力定律）。并且无论两个物体离开多远，这个万有引力的相互作用都不需要花时间。也就是说，力的传递速度比光速还要快。

实际上，已经观测到用牛顿力学解释不了的自然现象。牛顿力学的毁灭就在眼前。

图2 用牛顿力学解释的行星公转

在牛顿力学中，时间和空间是绝对不变的。并且，物体之间有彼此吸引的万有引力存在。行星因为和太阳之间存在着万有引力，所以围绕太阳公转。

因而爱因斯坦就想，能不能把引力和相对论结合起来。在重组相对论的过程中，他采用了自己的老师、德国数学家赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski，1864～1909）提出的时空理论，把时间和空间结合在一起。这样，就提出了前所未有的、物体的质量使得周围的时空发生扭曲的新概念。为了研究扭曲时空，需要曲面数学。因此他接受了共同研究者、数学家马塞尔·格罗斯曼（Marcell Grossmann，1878～1936）的提议，不用欧几里得几何学（Euclidean geometry，在平面和非扭曲空间上研究图形的数学），而是用研究曲面上图形的黎曼几何（Riemannian geometry）进行研究。

牛顿力学和广义相对论中的引力、时间、空间的概念是不同的。因此，对行星公转运动的解释也不同。在牛顿力学中，时间和空间是绝对不变的。并且，物体之间有彼此吸引的万有引力存在。行星因为和太阳之间存在着万有引力，所以围绕太阳公转。另一方面，根据广义相对论，物体的质量使时空扭曲，产生引力。因此，行星沿着由太阳的质量扭曲的时空“旋涡”（凹陷），围绕太阳公转。

时空扭曲的观点，极大地改变了对引力的认识。爱因斯坦认为，物体受到引力彼此靠近，是因为物体的质量使得周围的时空发生扭曲的缘故。这就和在橡胶垫子上隔开些距离放两个球，当球周围的橡胶垫子开始凹陷时，球就开始沿着凹陷转动、互相接近的原理一样。

爱因斯坦认为，不仅是物体，光的传播路线也受引力的影响发生弯曲。光为了沿着扭曲的空间“笔直地”前进，自然就弯曲了。也就是说，爱因斯坦认为：物质的质量使时空扭曲，扭曲的时空产生和引力一样的作用，使得物体接近或者使光弯曲。并且，在巨大的质量旁边，时间的流逝也会变慢。

这样，广义相对论在1915年诞生。实际上，在广义相对论发表的当时，还没有发现它适用于解释什么现象，根本没有人认为它是能够被实验证明的理论。但是到了20世纪60年代，发现了除用广义相对论之外几乎不能够解释的天体和现象，后来又经过了各种各样的实验检验，它的实用性得到了证明。

实际上，除了取代牛顿力学的广义相对论之外，还出现了其他解释引力的各种理论。例如，排除作为广义相对论特征的“扭曲的时空”的理论、空间扭曲方式不同的理论，还有像美国物理学家罗伯特·迪克（Robert Henry Dicke，1916～1997）提倡的那样，在广义相对论中加入了新要素的理论。但是，它们要么没有通过实验的验证，要么不能解释观测到的事实，从而得不到支持。

时至今日，还有要修正广义相对论的动向

在快要进入到21世纪的时候，人们认识到宇宙是加速膨胀的。这是因为宇宙中充满着一种名为“暗能量”的未知能量，它能够把空间撑大。也有不设暗能量，而修改广义相对论来解释的动向。但是，广义相对论能够顺利解释各种现象，在数学上也是非常完美的，修正广义相对论的动向得不到广泛的支持。

时至今日，多数科学工作者都根据广义相对论理解宇宙。世界各地都在试图探测广义相对论预言的引力波等现象。广义相对论诞生的100周年中，人们对它的评价发生了巨大的变化。

接下来，我们将详细介绍广义相对论在它诞生以来的100年中是如何被验证的，看看它在科学界引起了怎样的革命。

（本文发表于《科学世界》2015年第5期）