最美的理论，爱因斯坦引力和它的预言

~ 很多人一听到广义相对论的名字就已经被吓跑了，其实广义相对论换个名字，这叫做爱因斯坦引力。先来讲讲爱因斯坦引力的 历史 发展脉络。在17世纪被苹果砸中的牛顿发现了万有引力，假设世界万物之间存在着一种相互吸引的力量。而为了完善他的理论，牛顿又提出了空间的概念，空间是一个巨大无比能够装下整个宇宙的容器，所有的物体都在其中运动，这些物体的运动状态又会受到彼此间引力的影响。

但要是再继续追问引力是怎么产生的呢？这个问题牛顿自己也回答不了。

到了19世纪，英国的两位大物理学家法拉弟和麦克斯韦为牛顿的理论添加了新鲜的内容，这就是所谓的电磁场，电磁场是由运动的带电物体产生的。说的具体一些，运动的带电物体能够产生随时间变化的电场，接下来随时间变化的电场会激发磁场，而随时间变化的磁场又会激发电场，两者互为因果，形成了电磁场，电磁场弥漫在空间当中，会像起伏的湖面一样上下震动，传递着电磁波。

我们在日常的生活中非常熟悉的可见光和无线电波都属于电磁波。到了20世纪初，爱因斯坦把引力和电磁场这两个概念结合到了一起，提出了引力场的概念。不过与电磁场不同的是，引力场并不会弥漫在空间当中，因为它就是空间本身。换句话说，在爱因斯坦眼里，牛顿提出的承载物体运动的空间和自己提出的传递引力的引力场，其实是同一个东西，这样一来，空间就不再是一种有别于物质的东西，而是构成世界的物质成分之一，是一种可以波动弯曲变形的实体。

我们不在身处一个看不见的坚硬框架之内，而是深陷在一个巨大能弯曲的柔软物体中，事实上正是空间的弯曲产生了引力，这一听起来可能不太好理解，没有关系，让我们一起来做个思想实验。

想象有一个非常平坦的大床垫，在上面有一个小玻璃球在滚动，如果没有其他的干扰因素，这个玻璃球会一直沿直线滚下去。而现在把一个巨大的铁球放在床垫上，他马上会把床垫压到凹陷下去。很明显，如果这时候小玻璃球恰好从大铁球旁边路过，它的运动轨迹就会发生改变。如果小球的最初速度足够，小玻璃球还能逃离这片洼地，如果小球的最初速度比较小，它就会沿着被压弯的床垫滚下去，最后撞上大铁球。

现在就请发挥一下你的想象力。你觉得这个小玻璃球沿着凹陷床垫滚下去的场景，像不像是小玻璃球受到了大铁球的吸引力？

确实很像对不对？好了，现在我们把床垫当成空间本身，把小玻璃球当成地球，把大铁球当成太阳，爱因斯坦证明太阳的存在会造成空间本身的弯曲，空间弯曲对周围物体的影响就等价于把这些物体拉向太阳的引力。换句话说引力是怎么来的？其实就是有质量的物体把它周围的空间给压弯了，而弯曲的空间又对物体产生了引力的效果。

空间弯曲就是引力之源，这就是爱因斯坦引力，或者说广义相对论最为核心的思想。

广义相对论向人们展示了一连串神奇的预言，这里我们就说其中的4个。

广义相对论提到的第一个预言是时空弯曲。由于太阳的巨大质量使空间发生了弯曲，这个弯曲不仅会让太阳系的众多天体都绕着它转，从它旁边路过的光线也发生偏折。1919年英国天文学家爱丁顿率领着两支科考队前往非洲和南美观测日全食，他们真的发现了光线发生了偏折，并且是按照广义相对论预言的方式，这个发现让广义相对论名动天下，不仅仅是空间，就连时间也会受到太阳巨大质量的影响。

广义相对论预言，离太阳比较近的地方时间过得比较快，而在离太阳比较远的地方时间会过得比较慢。这个预言也在上世纪60年代被哈佛大学实验证实。

广义相对论的第二个预言是黑洞，当一个大质量的恒星燃烧完自己所有的燃料之后，会发生一次大爆炸，把外层的物质抛射到太空当中，残留的部分不再有燃烧产生的热量支撑，会在自身引力的作用下发生坍塌，导致空间发生非常强烈的弯曲，最终变成一个真正的洞。它就像一个可怕的怪物潜伏在宇宙之中，要离得太近，就连跑得最快的光也无法逃离它的魔掌，因为它周围的光无法逃逸，我们就看不见它。

所以美国物理学家约翰·惠勒就把这种恐怖的天体称之为黑洞，虽然无法直接看见黑洞，但科学家可以通过黑洞的引力效应来探测黑洞的存在。现在天文学家普遍相信黑洞在宇宙中可谓是多如牛毛，就连我们银河系的正中心都有一个巨大的黑洞，质量能够达到太阳的400万倍。

广义相对论的第三个预言是宇宙膨胀，利用广义相对论，物理学家亚历山大·弗里德曼和乔治·勒梅特发现空间不可能一直保持静止。1929年美国天文学家哈勃发现了宇宙确确实实处于膨胀的状态，既然宇宙现在正在膨胀，那么反推回去，它过去就一定处在一个很小的空间区域。换句话说，宇宙的膨胀是由过去的一次大爆炸引发的，这就是著名的宇宙大爆炸理论，宇宙大爆炸会留下一个遗迹，那就是古老光子，也就是所谓的宇宙微波背景。

1964年两个贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊证实了宇宙微波背景的存在，进而证明了宇宙大爆炸理论的正确。他们也因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

广义相对论的第四个预言是引力波，这是爱因斯坦本人在1916年提出的，他提出来空间本身可以像一个海平面一样上下起伏，形成一圈圈涟漪，这个空间的涟漪就是所谓的引力波。当引力波传来的时候，小到一把尺子大到整个地球都会发生周期性的伸缩，但引力波非常难测，因为它让物体伸缩的幅度特别小，如果你的尺子长达10万光年，相当于我们银河系的直径，那么引力波大概只能让你的尺子变动一米。

但可喜的是在2015年9月14号，人类利用著名的激光干涉引力波天文台，首次直接探测到了引力波的存在。由于这一重大发现，只等了短短一年半的时间，美国物理学家雷纳维斯，基普索恩和巴里巴里什就获得了2017年度诺贝尔物理学奖。

在100年以后，广义相对论的预言都得到了实验的证实，因此物理学家就把广义相对论称之为世界上最美的理论，这个最美理论引导我们 探索 身处的宇宙，也切实的改变着我们的生活。咱们的日常生活已经离不开的GPS定位系统，就是利用了相对论原理的修正效应。

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