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什么样的灵感产生相对论的呢？我们要从整个现代物理学的开头说起。 17世纪，物理学史上诞生了一个伟大的人物，艾萨克·牛顿。牛顿的力学体系，解释了物体下落和行星运转的原因。他假设了万物之中存在着一种相互吸引的力量，他称之为“引力”。但是，这种力量如何吸引两个相距甚远，且中间又完全空无一物的物体的呢？牛顿并没有解释清楚。  牛顿的苹果 牛顿想象物体是在空间中运动的，他认为空间是一个大容器，是一个平面，所有物体都在其中做着平直运动。这个也成为了“牛顿力学”最重要的前提。至于这个想象的空间，到底有多大，又由什么构成的，牛顿并没有给出答案。  空间是平直的 到了19世纪，英国的两位大物理学家，法拉第和麦克斯韦，发现了“电磁场”，为牛顿的冰冷的世界添加了最重要的一笔。所谓的“电磁场”，虽然看不见摸不着，却是一种无处不在的真实存在。他可以传递无线电波，可以振动，可以波动，还可以将电力四处传播。电磁学的产生，是对牛顿力学的一个非常大的补充，解释了物体相互吸引的原因。于是，他们合并起来，统称为“经典力学”。  磁铁的电磁场 爱因斯坦从小对于电磁场十分的着迷，可能源自于他那开发电厂的父亲。很快，他想到，“电力”是由“电磁场”来传播的，如果引力像电力一样，那一定也存在一种类似于“电场”的“引力场”。于是，在那一刹那，灵光一现，爱因斯坦想出了一个极其大胆的想法：如果有“引力场”，那么“引力场”并不弥漫于整个空间，因为他本身就是空间。这成为了广义相对论的思想基础。 其实，牛顿的承载万物的空间，跟爱因斯坦提出的“引力场”，是同一个东西。这造就一个极其惊世骇俗的想法：空间不再是一种区别于其他物质的存在，他本身就是构成物质的一部分，他可以波动，可以弯曲，可以变形。我们不是在一个看不见的坚硬的框架里面，而更像是在一个巨大的容易形变的软体动物中。 地球围绕太阳旋转，并非是因为某种神秘力量的作用，而是太阳巨大的质量使得空间发生弯曲，地球绕着已经弯曲的曲面运行而已。就像一个漏斗，弹球在漏斗中滚动，并非是因为漏斗中心有什么神秘的力量。所以，无论是行星的旋转，还是物体的下落，都是因为空间发生的弯曲。  引力场 当然，一个原理单单能够解释现象时不行的，还需要有定量的分析和数学上的精确计算。那如何用数学的方式，去描述一个表面不平直的曲面呢？（我们一直学习的几何学，都是“欧几里得几何学”，即表面是平直空间）。19世纪最伟大的数学家，“数学王子”高斯，已经写出了描述二维曲面的公式。他还让他的得意门生将这一理论推广到三维乃至更高的维度，这个学生就是波恩哈德·黎曼。他以此课题做为博士论文的题目，不过当时看来完全无用。 爱因斯坦通过空间的计算，发现以“引力场”为原型的计算，三角形的内角和会大于180度，这就证明了空间更像一个球面。在得知黎曼的几何学是以此为基础之后，苦学黎曼几何。后来传说，广义相对论问世的时候，全世界只有3个人看得懂，其实不在于相对论的内容有多么艰涩。而是因为他使用的数学工具，其他的物理学家完全没有接触过。  图一：黎曼几何，图三是欧几里得几何 爱因斯坦通过黎曼几何对于空间曲率等等的计算，建立了十个“二阶非线性的偏微分方程组”。从此，一个空间弯曲的宇宙，被框在一个优美的方程之下。它看似像疯子一样胡言乱语，但众多预言确得到证实。 首先，这个方程描述了空间如何在恒星周围发生弯曲的。他预测，这种空间弯曲，不仅仅使行星围绕恒星转，就连光也会发生偏折，不在走直线。这个预言，在1919年，被英国著名的物理学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿，观测证实。他还预测，不仅仅是空间，时间同样也会发生弯曲。离大质量物体近的地方，空间扭曲更严重，时间也会相应变慢。这一预测后来也得到证实。例如我们的地球同步卫星，每天会比地面慢8微秒，需要每天都对卫星的时间做调整。如果不做调整，1个月之后，GPS给我们的导航，将会误差数十米。  光线引力偏折 这几个预言的证实，让爱因斯坦成为了整个物理学界的明星。在第五届索尔维会议，爱因斯坦携带相对论，以至高无上的物理学的地位，在全世界最著名的物理学家中，坐在最中心的位置。边上就有伟大的居里夫人、卢瑟福，以及后来跟他争执半生，引领量子物理的泰斗人物---尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔。  第五届索尔维会议 话说回来，广义相对论的预测远远不止这些。他还预测，当一个恒星烧完所有燃料的时候，会因为自身的重力而坍塌，形成一个空间极度扭曲，最终连光都无法逃离的“暗星”（“暗星”这个名称并非爱因斯坦提出，黑洞的预言也是起源于场方程中的一个奇点），这就是后来著名的“黑洞”。如今，虽然依然无法有效观测黑洞，而且黑洞的数学模型也无法统一，但天文学家已经通过现象确认了黑洞的确是真实存在的。 不仅如此，还有更精彩的。在场方程计算时候，爱因斯坦意外的计算出，宇宙是在膨胀的。这个结果甚至把他自己都吓了一跳。甚至不惜在方程中加一个常数，来避免这种情况。但这一点，在多年后被另一个伟大的物理学家爱德温·哈勃所发现的“红移现象”做证实。他观测到，所有的星球都在远离我们，而且离我们越远的星体，远离的速度越快。这直接证明的宇宙膨胀理论。  红移和蓝移 而且，宇宙膨胀的证实，还产生的一个副产品。人们想象，既然宇宙这么大，是一直膨胀的结果，膨胀了130多亿年，那宇宙的起始状态，会不会是很小的一个点呢？这就诞生了另一个大胆的猜想---“宇宙大爆炸”。而这个猜想也被科学家观测到的“宇宙背景辐射”所证实。所谓的背景辐射，简单说就是宇宙爆炸后产生的余温，而且由于空间的弯曲，这个余温一定是不均匀的。  宇宙背景辐射 此外，这个理论还说，空间并不平直，他是像海平面一样起伏不平的。正如水波是一种能量，可以观测。那么“引力场”中也应该会有“引力波”的存在。这一个伟大的设想，在100年后的2016年，通过引力波探测器，得到证实。  空间产生的波纹 总之，爱因斯坦的理论为我们描述了一个绚丽多彩的颠覆式的世界。在这个世界既有爆炸的宇宙，又有坍缩的黑洞，还有弯曲的空间和扭曲的时间。而这一切的开始，仅仅来自于一个伟大科学家的奇思妙想。这里，也需要提醒一下，这并非说“万有引力”是错误的。在太阳系下，牛顿力学的预测程度，依然堪称完美。人造卫星的升天，还用不到相对论。相对论更多的是遇到极大天体，极远大星系时候，能够使用到的理论。 最后将爱因斯坦的场方程，粘贴到这里  他解释了宇宙中最宏大最复杂的现象，而本身就如此简单。也提醒着我们，这个世界的美妙，需要我们每个人自己去实践和探寻。 |
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