一图看懂爱因斯坦相对论（全网最通俗版本）

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【第1课：广义相对论】

今天我们系统讲一下广义相对论，从最基本的原理出发，彻底帮助你理解为什么时空是弯曲的。

引力是宇宙中最基本的现象，任何两个物体之间都会产生吸引力。

不管是苹果落地还是月球绕地球旋转，地球绕太阳旋转，引力都会迫使物体之间靠的更近。

可能很多人会认为，引力由物体的质量决定，物体的质量越大，吸引力就越大。

在牛顿理论中，你当然可以这样理解，因为牛顿力学可以很好地计算苹果落地的时间，行星绕太阳公转的数据。

但是事实上，引力并不是真正意义上的力。

举个例子，假设现在有一颗卫星要落向地面，如果引力是一种力的话，那么卫星就应该落向地球的中心，但是真实的情况确是：当卫星落向地面时，它的运动轨迹会随着地球的自转方向发生偏差。

还有一个例子，水星绕太阳的轨道会随着时间的推移以一定的速度改变方向。

如果引力是一种力的话，那么我们就能够极其精确地预测这种运动轨道的偏差。

但是牛顿的引力定律并不能很好地计算类似水星轨道偏差的现象。

所以我们就可以怀疑，引力就不是一种靠质量相互吸引的力，而是时空弯曲造成的假象。

广义相对论的最基础的思想来源就是等效原理。

现在想象一个宇宙空间，周围十几光年都没有任何星系，所以我们可以把其他星系的“引力”干扰忽略掉。

此时你在一个密闭的箱子里，你手里拿着一个小球。此时此刻你处于失重状态，如果你把手中的小球释放，会看到小球漂浮在原地。

然后箱子底部有个推进器点火了，整个箱子以恒定加速度a “向上”运动。这时候你会感受到箱底有一股力拉着你向下运动，小球也会以恒定加速度a向箱子底部下落。

如果这个恒定加速度的数值是9.81m/s²，那么你在密闭箱子里就会感受到和地球表面一样的效果。

你会感受到箱子底部在拉你，这种“拉力”的大小和地球表面是一样的。你还可以看到小球向箱子底部下落的加速度和地面也是一样的。所以你是无法区分自己到底是静止站在地面上，还是在宇宙空间中以9.81m/s²的加速度运动。

在箱子中的你，可能会认为自己是静止站在地面上的，所以受到了来自地球的“引力”。

但是在箱子外的观察者看来，你其实和小球都没有动，箱子也没有在地球上，更不会受到来自地球的引力，只是箱子底部以恒定的加速度“向上”运动撞到你和小球了。

现在我们关闭箱子底部的引擎，你这时候又处于失重状态了！

这时候你拿了一个手电筒，当你打开手电筒，这时候引擎又启动了，你一开始将光线照向箱子右侧的中心点。

但是由于箱子底部向上有个加速度，你最后看到光线会落在箱子右侧中心点的下方。所以你看到的光线是弯曲的。

同时，箱子外也有一个人观察你的行为，在箱子外的人看来，光线并没有弯曲，而是箱子底部以恒定加速度靠近光线。

那么到底是箱子里的人是正确的，还是箱子外的人看到的一切是正确的。

广义相对论认为，箱子里的人和箱子外的人都是正确的。

由于箱子引擎的推动，箱子里的人会认为自己站在地球表面上。而箱子外的人会认为箱子里的人是受到了底部加速度的愚弄，所以才误以为受到了地球的引力。

这样回头一看，我们是无法区分物体自由下落的行为是引力造成的，还是加速度的造成的。所以引力可以等效成加速度。

质量越大的星球引力等效成的加速度数值就越大。

接下来，我会好好分析一下，为什么光线弯曲会造成时间变慢的事实。

刚才我们讲了，在宇宙深空中，以恒定加速度运动的箱子里的人，看到的光线是弯曲的

而箱子外的人看到箱内的光线却是平直的。

对同一个光线的观察，箱内的人和箱外人会得出不同的结果。很明显，箱子里的人观察到的光线弯曲了，光线的路径也就变长了。

根据光速不变原理，箱内的人和箱外测量的光速反正都是一样的。而箱内人却明显感受到光线变长了。我们知道时间等于光经过的路径除以光速，由于光速不变，而箱内的光线路径变长了，所以箱内的时间就变长了。

所以箱内的时间相对于箱外就变慢了。

前面说过，星球的质量越大，等效的加速度就越大。

黑洞的质量很大，所以等效的加速度就更大，加速度越大，箱内的光线弯曲程度就更大，所以光线经过的路径就更长，所以时间相对于参考系外就更慢。

这就是天体的质量越大，其周围的时间越慢的缘故。

一颗苹果在宇宙空间本来是沿直线匀速运动的，当它运动到地球的周围时，就受到了地球的引力，这时候我们可以把地球的引力等效成苹果受到的加速度，由于加速度的存在，苹果原本匀速直线的运动变成了曲线的了。你也可以认为苹果受到加速度后依旧按照原来的路径运动，但是地球却把周围的时空弯曲了，所以苹果不得不在弯曲的时空中运动，就显得是曲线运动。

为了统一计算，广义相对论一般不再区分引力和加速度等效的问题了，而是直接说：有质量的物体会弯曲周围的时空，其实也就等效于加速度带来的曲线运动。

质量越大的天体，其等效成的加速度越大，所以周围的物体轨迹越弯曲，路径延长越大，时间也就越慢。

但是这样说很麻烦，还不如直接说质量越大的天体，周围的空间和时间越弯曲。空间和时间越弯曲就相当于说路径越长，时间越长(慢)。

空间和空间可以简称为时空。所以就成了我们经常听到的那句，天体质量越大，时空越弯曲，时间越慢。而宇宙中质量最大的天体的宿命必然会变成黑洞，所以我们经常会说，黑洞视界外的时间流逝很慢。

其实任何质量大的天体，周围时间相对于地球流逝都很慢，但是星体的质量一旦突破史瓦西极限就必然变成黑洞，所以黑洞如今也是时间变慢的代言词了！

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