 一个多世纪前，理论物理学家爱因斯坦提出了所有假说中的假说，这是一个如此非凡的想法，它将在人类思想的巨大目录中无情地回响。 它将改变科学的基本原则，激发最令人费解的技术，帮助捕捉黑洞的光辉，激励作家写出惊人的小说，并刺激导演将深刻的形而上学思想变成电影。 这是一个考验我们想象力极限的概念，也是一个迫使我们重新思考时间概念的难题。 1916年，爱因斯坦宣布了他的广义相对论的漏斗型理论：酒杯理论。 浓缩的版本 基本上，爱因斯坦意识到，空间远远超过我们生活的 '空间'，时间超越了我们发明的时钟。相反，他的理论是，这两者在物理上是纠缠在一起的。 空间就像一块画布，把我们的过去、现在和未来都织在上面而且它可以像丝绸一样折叠、扭曲和波纹。这种空间和时间的编织物没有开始或结束，或者正如他所说的：时空。 我们不能确切地看到时空连续体，因为它是人类眼睛无法感知的领域的一部分：第四维。但我们可以推断它的存在，因为我们可以感受到它的影响。其中一个效应你无疑是熟悉的：引力。但也有其他的影响，比如时间的移动速度取决于你在宇宙中的位置，以及被称为引力透镜的空间放大镜现象。 但是，我已经走在了前面。如果几乎所有这些都在你的脑海中飞过，那就没问题了。  不管你是什么时候被灌输到广义相对论阵营的：即使是在5分钟基于我的介绍，而且你有可能认为它听起来很奇怪。我的意思是，它涉及到第四维度和不可见的编织物等前提。它预测了像虫洞和非线性这样的奇怪结果。 你不会是唯一持怀疑态度的人。广义相对论曾经被斥为妄想，被当时的大众和相关物理学家称为：'完全不切实际和荒唐'。然而，它仍然是关于我们宇宙的最优雅的理论之一。 以至于它经常被认为是一个牢不可破的真理。 欢迎来到四维空间 作为三维的生命，我们倾向于用直观的术语来思考宇宙。 一个一维的物体对我们来说是有意义的。那是一条线。二维也很容易理解。比如超级马里奥这个形象。而三维：郁金香、千层饼和苹果手机，这些都是可以理解的。但当我们进入四维宇宙时，我们的直觉就消失了。 在三维中，我们有一个X轴代表长度，Y轴代表宽度，Z轴代表深度。在4D中，有一个第四轴。时间。  但试图思考4D空间，对我们来说，就像超级马里奥试图理解3D空间。那会伤害他的大脑，因为对马里奥来说没有Z轴，就像对我们来说没有时间轴。从技术上讲，马里奥对一切的看法将是一条巨大的线，类似于小说《平地》中的人物。 然而，马里奥在感知三维空间方面的困难并不意味着三维空间不可能存在。我们就生活在其中。事实上，他就是生活在其中。 同样，4D空间也存在，无论我们的思想是否能进入其中。我们甚至在不知不觉中调用了时间轴，例如，当我们邀请某人在下午2点在咖啡店见面时。我们给出X、Y、Z和时间坐标。 因此，当你读到这里时，请记住，我们将要讨论的关于广义相对论的一切都生活在4D中。幸运的是，尽管我们无法在头脑中描绘出第四维度，但我们可以从数学上计算出它。 电梯实验 你可能听说过这样一句古老的谚语：s牛顿坐在一棵苹果树下，一个美味的水果掉到了他的头上，于是，他发现了神秘的万有引力将东西拉到地上。 爱因斯坦有一个非常不同的看法。  简而言之，爱因斯坦意识到引力并不像人们说的那样神秘。它很像我们所习惯的一种普通的力。我们几乎每天都在使用它：开车去上班，到处跑，或者踢足球。这就是所谓的加速度。 爱因斯坦著名的电梯思想实验有助于说明这种联系。 想象一下，在地球上有一部不动的电梯，在太空某处有一部加速的电梯，以完全等同于重力的力量（9.8米/秒^2）向上行驶。如果这些电梯上没有任何窗户，你怎么能知道你是在太空电梯还是在地球电梯？ 爱因斯坦给出的答案是：你不知道。 稍微修改一下，如果你必须弄清楚你是在一个没有窗户的电梯里，这个电梯在太空中没有移动，而在地球上有一个电梯正在下降，所以你正在经历失重？那你能做到吗？也不能。 在地球上有重力的情况下失重的感觉就像在我们通常认为的零重力的太空中失重一样。 这就是所谓的等价原理。 因此，爱因斯坦说，对 '重力 '唯一合理的解释是，它不是我们认为的那样。而且，不管它到底是什么，可能与加速度有关。 然后，经过很多的思考之后，他得出结论，重力根本不是一种力。它是物体相互作用的产物，同时向不同方向加速。 下面是思考爱因斯坦猜想的一种方式。事物不是把东西拉下来，而是把东西托起来。 你现在就在下降 如果一个球向悬崖滚去，牛顿会说这个球即将停止直线运动，因为重力会把它拉下来。对牛顿来说，球很快就会掉下悬崖，因为有一种难以捉摸的引力。 另一方面，爱因斯坦会说球一直在下降：只是我们只有在它经过悬崖边缘时才会注意到这种 '下降'，因为那时候没有什么东西会再往上推，或加速。  想象一下，拿着一个水杯。在某种程度上，这只玻璃杯不断地阻止水滴落到地上。你可能不会说这个杯子对水施加了一个无形的力量，把它拉下来。这是同样的想法。广义相对论只是将其进一步推进。 你现在就在下降。你只是看不出来，因为你所坐的椅子阻止了你到达地面。你房间的地板阻止了你和你的椅子到达地球。而字面意义上的地球正在阻止你、你的椅子和你的地板在空间中 '下降'。 爱因斯坦意识到，万物总是处于持续的、自然的自由落体中，然而有时这种自由落体会被打断。而这种中断，对我们来说，感觉就像重力的作用。 这一切都是相对的。 另外，你可能还在讨论关于地球阻止你在太空中下落的那部分。如果地球不在那里，我们不就会像国际空间站上的宇航员一样漂浮在空中吗？ 这就把我们带到了广义相对论的第二部分。时空的类似'海洋状结构'重新定义了下落的概念。事情会变得很诡异。下一个思想实验可能看起来与我们刚刚讨论的内容无关，它将会是一个整体。 重力蹦床 想象一下一个蹦床。 如果我们把一个保龄球放到这个蹦床上，它就会滚到中间，使弹性材料向内翘起。现在想象一下，把一个弹珠放到这个弯曲的编织物上。它就会沿着曲线滚下去，粘在保龄球的一边。蹦床是时空结构，保龄球是地球，而弹珠是你。再一次，我把时空结构按维度缩小，因为我们无法真正概念化第四维。  总之，根据爱因斯坦的说法，宇宙中任何有质量的东西都会扭曲时空，有点像保龄球扭曲蹦床。黑洞会使时空扭曲很多，地球会有一些扭曲，月球会有一些扭曲，甚至你也会有很小的扭曲。物体越大，翘曲度就越大。而翘曲越大，'引力'就越强。 现在想象一下，这幅图中的每条网格线都是一条有车的电缆线，其中有一些物品正在行驶。 这个物品总是沿着这条线 '下落'。如果把地球从这幅图中移走，电缆线将是直的，所以物品将沿着我们认为的 '前进 '方向移动。但是地球在那里，把电缆线向内凹陷，并把电缆线上的物体也带入其中。 因此，爱因斯坦说，如果太空中没有任何物体，理论上宇宙中唯一的物品将继续沿着没有扭曲的轨迹自由下落。但是宇宙中充满了物体。所以时空是完全扭曲的。而一切都沿着这些扭曲 '坠落'。即使是国际空间站的宇航员也在自由下落，因为他们是沿着某种引力扭曲的方向。 但如果你还不明白，美国物理学家约翰·惠勒曾经用12个字完美地解释了广义相对论。'时空告诉物质如何运动；物质告诉时空如何弯曲。' 你有了这12字的理解，你就明白了这就是广义相对论。但令人费解的事情并没有就此停止。 广义相对论的后果可以说比理论本身更加离奇。别忘了，时空网格是由时间组成的。 时间是一种幻觉 在克里斯托弗·诺兰2014年的电影《星际穿越》中，当马修·麦康纳演的角色库珀访问一个靠近黑洞的星球时，发生了非常奇怪的事情。  '在这里每小时7年，'他说，然后退出他的航天器。这只是意味着在这个星球上每过一小时，地球上就会过去七年。果然，当库珀在探索了几个小时后回到地球时，已经过去了几十年。 所有这些剧情都是广义相对论的产物，而不是别的。或者更确切地说，是时间膨胀。 广义相对论的这个方面涉及到爱因斯坦也提出的一个更大的想法，即狭义相对论。我们不会对狭义相对论进行太深入的研究，但你需要知道的是，它说光总是以恒定的速度传播。不管是什么情况。 火车上的光以每小时64公里（40英里）的速度行驶，与飞机上的光以每小时800公里（500英里）的速度行驶是一样的，而这两者与来自银河系另一端的星星的光的速度是一样的。你可以想象，当你考虑到时空连续体时，这会导致一些奇怪的事情。 再想想蹦床。没有保龄球。假设要花10秒钟才能把一个弹珠滚到另一边。好吧，加上保龄球。蹦床现在被拉长了。在这个扭曲的蹦床上滚动一个弹珠，可能需要12秒，以考虑到新的面积。 通过这个比喻，你可能会看到较重的物体如何创造出更大的曲线，从而使物体的 '面积 '更大。但记得光的规则吗？光必须始终以恒定的速度行进，所以它不可能受到曲率的影响。 但是很明显，穿过时空扭曲的光比穿过空空间的光要穿越更长的距离。那么，如果不是速度，是什么变化呢？在摆弄了相对论方程之后，你得到的答案是：时间。 时间被改变了，以说明光速的不变性。  简而言之，当时空中的引力场变强时，时间会变慢。尽管这是一个令人难以置信的微不足道的差异，但我们有这方面的证据。经过六个月的旅程，国际空间站的宇航员比他们在地球上的年龄慢了0.007秒。这也是为什么我们有原子钟，可以解释时间膨胀对GPS卫星的影响，例如。 关于《星际穿越》中的库珀，当他在黑洞星球上时，地球上的人会观察到时间对他来说变慢了。 这样，在地球上每七年才有一个小时的时间。由于广义相对论的原因，还有一些其他的时间膨胀方式，但这个方式给了你一个大致的要点。 虫洞和黑洞 准备好进行一些《星际迷航》式的思考了吗？ 如果我们把蹦床折成两半，像一张纸一样，会发生什么？理论上说，你可以在编织物上打一个洞。展开蹦床，你会看到两个相距很远的孔。把它折回去，它们就会接触。这就是一个虫洞。 当蹦床被折叠的时候，一颗弹珠不需要从一边走到另一边。它有可能在不到一秒钟的时间内冲到另一边。 一些专家认为，从理论上讲，时空结构可以像这样 '折叠'，特别是在一个超级扭曲的区域附近，如黑洞周围的区域。如果这是真的，也许我们可以在一瞬间穿越宇宙。 虽然我们没有证据证明这种 '折叠'。这只是猜测。但从好的方面看，有一些疯狂的时空折叠后果我们确实有证据。 我们已经讨论过黑洞是广义相对论游戏中的一个重要角色这一事实，但让我们暂时放大到空洞上。  因为这些小东西是宇宙中引力最强的物体之一，有些质量相当于我们太阳的几十亿倍。它们不只是扭曲时空。它们对时空的扭曲和转动是如此强烈，以至于时空结构几乎破碎。而在这里，时间不仅仅是慢了。它停止了。 但是，即使作为小小的3D人类，我们也可以观看这个节目。2016年，激光干涉仪引力波天文台，或称LIGO，探测到一个双体黑洞系统，或两个黑洞相互绕行。空洞的螺旋在时空结构中发出实际的涟漪，就像在池塘里扔下一块石头会在水面上发出涟漪一样。这与爱因斯坦几十年前的预言完全一致。这是第一个直接证明时空确实是一个可塑片。 从那时起，科学家们甚至设法拍摄了两张宇宙中黑洞的照片，这两张照片都显示了这些深渊附近扭曲的时空到底是什么样子的。每张照片周围都有一圈光子，这些光子实际上是沿着黑洞引起的翘曲线而来。 不是那么不切实际，也不是那么荒唐 即使撇开这种具体的、直观的时空证明，从数学上讲，专家们一次又一次地试图在爱因斯坦的广义相对论方程中找到一个缺陷。而一次又一次，他们都失败了。 广义相对论对于我们的宇宙来说似乎是如此不可动摇和重要，甚至像中子星这样引力极端的宇宙现象。密度大到一茶匙就相当于珠穆朗玛峰的重量，但是似乎也在遵守它的法则。 引力透镜的概念，即在高质量星系团附近扭曲的时空的放大效应，已经成为观察遥远的恒星和星系的天文学家们的实践。 一个曾经 '完全不切实际和荒唐 '的假设已经变成了我们这一代最基本的真理之一。 广义相对论指出，有一个第四维度将空间和时间编织在一起，认为线性是我们三维思维的幻觉，产生了牵强的虫洞的可能性，并为回荡在整个宇宙的引力波奠定了基础。 而且，至少在现在，它是密不透风的。  |
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