相对论：爱因斯坦理论背后的思想实验

阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论是人类智慧、创造力和毅力的不朽成就——至少可以说是如此。有人可能会合理地认为，在20世纪早期，地球上有几个人像爱因斯坦一样聪明，但没有人能像他那样思考。在他7年的探索新引力理论的旅程中，他的直觉发生了惊人的跳跃——在他计算出这些新想法过程中，中间穿插著一些意味深长的停顿。所有这些努力的结果就是我们对引力的现代理解，在爱因斯坦之后的一个世纪里没有改变。

自由落体

爱因斯坦对万有引力本质的第一个认识是对一个旧观念进行了新的转变。在牛顿最初对重力的数学描述(“OG”)中，当涉及到“质量”的概念时，有一个奇怪的巧合。在一个著名的方程F = ma中，质量是惯性质量——推前进需要多大的动力。在牛顿关于引力的另一个等式中，质量更像是万有引力——例如对地球的吸引力程度。质量是地球两倍的物体对地球的引力是地球引力的两倍，因此下落速度应该是地球引力的两倍。但多年前，伽利略伽利雷(Galileo Galilei)得出了结论：不管质量如何，忽略空气阻力，所有物体都会以同样的速度下落。

关于地球周围扭曲时空的概念图片。图片：NASA

因此，对于牛顿的理论来说，惯性质量必须与重力质量相同，但这完全是巧合：没有理由认为这个等式成立。对于一个质量是它的两倍的物体，地球对它的拉力可能是它的两倍，但这完全被抵消了，因为物体运动的难度是它的两倍。惯性质量和重力质量以完美的步调运动。这种奇怪的对应关系一直是引力圈里的一个谜，但1907年，爱因斯坦更进一步。物理学家想像如果你从高处掉下来会发生什么。再次忽略空气阻力，你的惯性和引力质量会抵消，使你感觉完全没有重量，就好像根本没有重力。但零重力环境恰恰是狭义相对论的游乐场，他在几年前就提出了这个理论，将我们对时空的概念编织成时空的统一结构。

对爱因斯坦来说，这是一条重要的线索。隐藏在重力阴影下的是他珍贵的狭义相对论和时空的基本概念，使这一认识成为可能的是将惯性质量和重力质量之间的等价性提升为一个基本原则，而不是令人尴尬的事后回想。然后爱因斯坦又更进一步。假设在半夜,我们重新安置你的卧室室内的火箭,发射飞船送入太空(你沉重的卧铺),把它飞走的引擎发出呼噜声,同样提供一个常数1 g加速度,加速度就会感觉在地上。让我们进一步假设火箭是完全安静的，所以不会马上透露你在那艘宇宙飞船上。除非你往外看，注意到只有一块令人担忧的薄玻璃将你与空间的真空分隔开来，否则你不会知道你是某种怪诞科学实验的一部分。

扔一个苹果——它掉到地上。滴一罐牛奶——它以同样的速度掉到地上。从宇宙飞船外，很容易就能看出原因：苹果和牛奶并没有真正移动，但火箭正在加速前进，“遇到”掉下的东西。如果我们把地板全部挪开，当火箭呼啸而过时，苹果和牛奶就会留在原地。但在火箭内部，你只会认为这是正常的重力：物体在下降，就像它们习惯做的那样，而且速度都是一样的。其含义是清楚的(至少爱因斯坦是清楚的)：重力导致加速度，而加速度导致重力，他们是完全相同的。爱因斯坦必须再做一个大的飞跃才能把我们带到现代的重力世界。这是一个巨大的飞跃，他花了5年的时间对重力=加速度的含义进行修修补补，然后才开始下一个跳跃。要做到这一点，你几乎可以说，他必须在圈子里思考。

想像一下一个特别设计的旋转木马，所有的马都排成一排，鼻子对着尾巴，在四周形成一个完美的圆圈。现在，加速行驶，使它以接近光速的速度旋转，会发生什么呢？让我们假设，首先这段旅程可以保持在一起。当马从你眼前经过时，它们显得更短了。为什么？在这种速度下，爱因斯坦的狭义相对论告诉我们，运动的物体沿着运动方向收缩。这意味着马不再是完美的鼻对尾，你可以把更多的座位挤在旋转的车上，而不是固定的。但是总的宽度没有改变;整个骑乘过程并不会影响你的视野，所以你不会看到任何相对论意义上的长度收缩对整个结构的有趣影响，只会在马经过的时候。

这个组合意味着我们熟悉的直径和周长的关系(C = pi * d)不再适用于旋转运动。描述这一关系的几何结构并不是我们在高中学到的普通的欧几里得的东西。它是非欧几里得的，或者说曲线空间的几何。这就是爱因斯坦在1912年的谜题:a)时空一定有某种关系，b)加速度和重力紧密相连，c)一些加速度需要用曲面来描述。一百年后的今天，简单地说，“引力是时空的弯曲”，这对我们来说很容易，但爱因斯坦又花了两年的时间，让所有的数学模型都符合，并给出了我们所知的广义相对论。

博科园-科学科普｜文：Paul Sutter/Space