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爱因斯坦的狭义相对论里就简单的公式，给定相对性原理和光速不变，然后用数学和理论去推到的全是你难以接受的。 狭义相对论咱们说了，其实那时候的物理学家已经测好了光速了，知道光是波，但是，所有人都不知道这个光速的测定是相对于什么参考系的呢？ 那时候爱因斯坦才8岁，科学家等了18年。 广义相对论是怎么回事呢？你想想，那个牛顿力学的时代，你提出相对论不是要和牛顿力学搞对立，而是要解释牛顿力学里解释不了的。 1905年，刚刚发表了狭义相对论，爱因斯坦就已经开始思考广义相对论，用了十年才最终完成。那他想要的是什么呢? 我们知道狭义相对论的出发点是“相对性原理”:一切匀速直线运动或者静止的坐标系下，物理定律都是一样的。 现在爱因斯坦想的就是，为什么非得限制成“匀速直线运动'呢?为什么“加速运动就不行呢?物理学中的速度不但有大小而且有方向，所谓“加速运动”，就包括了像圆周运动、拐弯、变速等等各种运动。有了一个加速度，就可以描写所有“瞬时的运动”了。 所以爱因斯坦说，我能不能把相对性原理再推广一下，改成：在所有的坐标系下，物理定律都是一样的。 牛顿的学说被反复被证明是真理。可是牛顿的学说只能处理宏观世界，引力只能处理宏观力，宏观物体运动可以拿引力来解释，到微观现象出现，也就是有了微观世界的新信息增量，比如法拉第发现电磁现象，麦克斯韦做出电磁场方程。这个时候微观世界的运动，拿引力无论如何无法解释，因为引力需要质量极大的物体才会发生，引力在物理学四力中是一个最弱的力。 大家想诺大的一个地球所具有的引力，居然抵挡不住，当然这个说法不准确，一个磁铁所具有的电磁力，你把一串钥匙扔在地上，你拿磁铁可以把这个钥匙提起到地面以上，引力就如此之微弱。这样微弱的力怎么能够解释微观世界的粒子运动呢？ 相对论的出现是因为用它调整时空的方式，可以有效地解释宏观世界运动和微观世界运动的统一作用原理。 爱因斯坦的学说出现，它不能完全否证牛顿学说在宏观领域的匹配和正确，它不能完全否证这一点。 爱因斯坦必须要搞明白“引力” 让爱因斯坦取得突破的首先是这么一个思想实验。想象你站在一个像电梯一样的长方形的封闭飞船里。在你脚下有个火箭，给你提供一个推力，让你一直向上加速运动。 地球引力给我们的感觉是实实在在的。你站立的时间长了会觉得累，就算躺在床上，后背也会有一个压力。可是在飞船上也是这样，加速会给你一个推力的感觉。 但是爱因斯坦说，我在飞船内部做实验，明明观测不到任何变化。 肯定是你会感到“失重”。这是自由落体。 自由落体运动中的物体处在失重状态。 那爱因斯坦问，这种运动中的失重感，跟我在一个远离一切星球、做一个完全不受外力影响的匀速直线运动，有什么区别吗? 牛顿会说当然有区别!前者是引力作用下的加速运动，后者是没有外力时的匀速直线运动! 自由落体中所有物体的加速度都一样呢，为什么？因为地球引力对所有物体一视同仁。 伽利略当年论证为什么两个铁求必须同时着地，用了一个反证法。他说如果是越重的物体下落得越快，那我们可以把一个轻的铁球和一个重的铁球粘在一起，一方面，轻的铁球应该拖慢重的铁球，现在的下落速度应该比重的铁球更慢一些;可是另一方面，现在你得到了一个更重的大铁球啊，应该下落更快才对啊?这个矛盾表明，铁球的下落速度应该跟轻重无关。 伽利略这个论证其实站不住脚。伽利略默认了引力给加速度的时候“只看重量，或者说，引力给重量的时候只看它们的加速性能。可是引力凭什么这么干? 惯性质量正好等于引力质量这件事，现代物理学家脂给的最好解释，纯属巧合。物理学家在真空中精确测量过两个铁球是不是同时落地的，在月球上都做过这个实验，结果都是惯性质量精确地等于引力质量。我们不知道为什么这个世界是这样的，但是它就是这样的。 在任何局部实验中，引力和加速运动无法区分。 这句话叫做“等效原理”，它等于就是说“惯性质量=引力质量'。爱因斯坦说别问为什么了，这个世界就是这样的。 在一个封闭的房间里,你说你正在地面待着享受引力，我可以说你其实是在一个加速运动的火箭里。你说你正在引力的作用下享受自由落体，我可以说你其实是处在一个不受任何引力影响的匀速直线运动。 爱因斯坦说，只要这个房间的尺度不是超级大，你说的和我说的就没区别。 那我们再想想，引力到底是个什么东西。站在地面上，你能切切实实感到引力的存在。可是只要你随便做个自由落体运动，引力对你就不存在。 一个东西如果是真实的存在，它怎么可能在静止坐标系下看就有，在一个加速坐标系下看就没有了呢?爱因斯坦的新要求可是物理定律不管在什么坐标系下都一样。 我们的结论就只能是，引力这个东西，其实是个幻觉。 时空是可以弯曲的 我们学习的平面几何，三角形内角和180度，两点之间线段最短，两条平行线一定不会相交，但这都是平面几何，是二维的，但是现实，尤其是宇宙中，却不是如此的，蚂蚁在地球仪上爬行，我们会觉得那是一个三维的球面，因为地球仪是三维的，蚂蚁也是有体积的它也是三维的，所以这是一个三维模型，可是实际在蚂蚁的世界里，它是无法离开这个二维的球面，它只能在这上面爬行，除非它不想活了跳下去，它的定位只需要一个经度和纬度就能描述地球仪上的精确位置，所以球的表面是一个二维的，只不过不是那么的平而已，是一个弯曲的球面，可以类比着想想地球。这是数学家思考问题的角度。 我们生活的空间是三维的，如果把时间算作一维的话，这叫做四维时空，记住，是时空不是空间，四维时空的弯曲，弯曲的不仅是空间还有时间，相信听过宇宙课堂里穿越那两期节目会明白的。 我们在生活中能找到完全直的线吗？你说能啊，精确的画一条直线没问题，但是你放大会发现，它不是直的，你说光是走直线的，但是在介质中光会不断的反射和折射，也就是偏折，路程增加了。如果非要找直线，那北京去纽约的不应该是飞机飞最短的航线，而是地下隧道了，所以没有完全直的线，只有比较起来最直的线。 对于球面来说，两点之间走最短的是“大圆”也就是圆心正好是球心的那个圆。 数学家黎曼——就是提出“黎曼猜想'的那个黎曼，早在1854年就已经把复杂曲面的这些数学研究出来了，我们现在称之为“黎曼几何'。黎曼几何是弯曲空间中的几何学，也是广义相对论的数学基础!在!黎曼几何里，两条“平行”的测地线可以相交也可以越分越远，三角形的内角之和可以大于也可以小于180度，你看多了就习惯了。 这些基本.上就是你理解广义相对论所需要的数学。 广义相对论 地球为什么绕着太阳转?牛顿认为那是因为太阳对地球有个引力。但是广义相对论说，地球根本不知道太阳在哪里，只是因为太阳把时空弯曲得比较厉害，地球是根据自已所在时空的测地线运动而已。 就好像蹦床上的小球可以绕着大球滚动，而你知道大球并没有吸引小球，那只是因为蹦床大球的周围有个凹陷!为什么有引力，是因为我们看到了宏观的效果是地球围绕太阳转，所以觉得有个东西吸引着地球，所以叫这个宏观效果是引力，这个时空观里，我们没有把空间想象成物质，而是以为空间是“无”。 同样的时空，每个物体的速度不一样，它看到的和遵循的测地线也不一样。有的物体会直接掉向太阳,有的会绕着太阳做椭圆运动，有的擦肩而过，这些都只不过是在沿着自己的测地线运动而已。
爱因斯坦把狭义相对性原理推广为广义相对性原理，即物理定律的形式在一切参考系都是不变的。物体的运动方程即该参考系中的测地线方程。测地线方程与物体自身故有性质无关，只取决于时空局域几何性质。而引力正是时空局域几何性质的表现。物质质量的存在会造成时空的弯曲，在弯曲的时空中，物体仍然顺着最短距离进行运动(即沿着测地线运动——在欧氏空间中即是直线运动)，如地球在太阳造成的弯曲时空中的测地线运动，实际是绕着太阳转，造成引力作用效应。正如在弯曲的地球表面上，如果以直线运动，实际是绕着地球表面的大圆走。
当然，每个有质量的物体在弯曲时空中运动的同时，也在弯曲着自己周围的时空，只是弯曲的程度不同。时空的形状由所有这些物质共同决定，然后所有物质都沿着自己周围时空的测地线运动。 说到这里我还要澄清一点。 既然高速运动物体的质量会增加，那多出来的质量会不会也会弯曲空间呢?答案是不会的。广义相对论里边说的物质弯曲空间，你可以理解成是物质的“静止质量“在弯曲空间，静止质量是所有坐标系都同意的不变量。时空的内在几何形状是绝对的，但是时空在不同的坐标系有不同的样子。 广义相对论就这么简单。
你可以说没有引力，引力不过是弯曲时空的宏观效果，但是因为作用效果在宏观上看是一样，所以用引力这个词等同于弯曲时空的宏观效果是不得已的办法，爱因斯坦提出“等效原理”，即引力和惯性力是等效的。。引力只能是在大尺度上才看得到。局部是没有引力的。就好比你离得很远去看一个平面，它是非常平整的，但是你离得近一看，它是有很多小坑的，所以局部的测地线是很直很直的，局部就不存在引力。 以前上物理课，力是改变物体运动状态的原因，光滑的平面，没有摩擦力，没有外力，物体是会一直匀速直线运动的，所以我们知道匀速直线运动和静止没有什么区别，都是自然运动。 爱因斯坦现在说：一切沿着测地线的运动都是自然运动。 我们可以想象，在太空中找一个周围非常空旷、没有任何星体的地方，这里的时空是平直的，测地线是完美的直线，所以沿着测地线运动正好就是匀速直线运动。 狭义相对论（特殊相对论）和广义相对论（一般相对论）的区别就是:狭义相对论中相对性原理要求的是在平直时空，也就是在没有被扭曲的时空中推出的结论，狭义相对论只能处理惯性参考系，是惯性参考系的相对性理论，物理概念之间的关系是一定的。而广义相对论可以处理非惯性参考系，是更一般的相对论性理论，爱因斯坦提出“等效原理”，即引力和惯性力是等效的。 相对论是一门处理特定时空几何下物质运动的理论。如果时空是平直的，没有弯曲，曲率为 0。这时候可以是狭义相对论。如果时空是弯曲的，那就是大尺度上的了，时空曲率不为 0，这时候就是广义相对论。 狭义相对论所处理的时空是广义相对论所处理的更一般的时空在曲率为零时的特殊情况，记住曲率为零不等于不存在。 这就是广义相对论和狭义相对论理论上的区别。 狭义相对论中不存在黑洞，因为黑洞需要万有引力，因为万有引力的存在，质量会改变时间和空间，当然这个质量是要非常大的，狭义相对论中的时间空间与物质无关，是和参照系及速度有关，虽然时间和速度有关，空间和速度有关，但是时间和空间与物质本身无关。有了黑洞之后，时间会变慢，所以狭义相对论中不存在黑洞。 广义相对论中，时间的流逝在不同地点是不一样的，而狭义相对论中所有空间上的点，时间流逝的速度是一样的，相同的。而时间的变化只是不同的参照系里面，比如你在地球静止和在宇宙飞船上的人，时间才会发生变化，而不是说在空间中地点不同时间不一样， 理解这里面的点的关键是：“是否存在引力”和“平直时空与弯曲时空” 理解了这个，时间，空间，时空，物质，能量，就不是难题了。 |
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