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前段时间，我们为大家介绍了狭义相对论的基本原理（了解狭义相对论，你需要知道这几个关键词）。狭义相对论一经发表就轰动了世界，但爱因斯坦自己并不满足于此，因为狭义相对论无法解释受到引力影响的运动。
图片来源：cantorsparadise
之后，爱因斯坦又花了整整 10 年的时间进一步扩展了狭义相对论，并发表了广义相对论。
爱因斯坦解释广义相对论的手稿扉页 图片来源：wikipedia广义相对论正确解释了天体带来的强烈引力及其引发的光线弯曲现象等。根据广义相对论，引力是由时空（时间和空间）伸缩或弯曲而导致的现象。广义相对论也可以用来讨论整个宇宙的诞生和时间变化。
那么，广义相对论讲的到底是什么？如何才能通俗理解？一起来了解一下这几个关键词吧。
物体的质量可以通过两种方法测量。一种方法是测量施加在物体上的引力，也就是所谓的体重计原理，通过这种方法测得的质量被称为“引力质量”。另一种方法是对物体施加力，让其加速运动，根据加速度来计算质量。研究发现，受力后容易加速的物体质量小，难以加速的物体质量大。用这种方法测得的质量被称为“惯性质量”。等效原理是指“引力质量与惯性质量是没有区别的（等效）”。爱因斯坦根据这个原理创立了广义相对论。根据等效原理，乘客无法区分自己是在地面附近自由下落（以重力加速度下落）的电梯中（下图 1），还是在宇宙匀速飞行的宇宙飞船（下图 2）中。而且，也无法区分是在地面静止不动的电梯中（下图 3），还是在宇宙加速飞行的宇宙飞船中（下图 4）。
根据广义相对论，时空并不是平坦光滑的，而是在某些地方是延伸、收缩和弯曲的。尤其是在大质量物体的周围，空间会更明显地伸展，时间会更加缩短。当物体或光线穿过这种弯曲的时空时，其轨道就会弯曲。广义相对论认为，这就是引力作用。我们具体思考一下太阳和地球相互吸引的现象。根据牛顿创建的万有引力定律，引力与两个物体的质量成正比，与两个物体之间距离的平方成反比。结果是，认为地球不会飞离太阳系，而能继续围绕太阳公转（下图 1）。另一方面，广义相对论则认为，太阳所具有的大质量会导致周围时空弯曲。地球的轨道会因此而弯曲，所以地球会围绕太阳运转（下图2）。当然，由于地球也具有质量，因此地球周围的时空也会弯曲。但要注意的是，这里把时空简化成 2 维平面，用凹陷来表现时空的弯曲。
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爱因斯坦发表的广义相对论后，接下来开始着手计算宇宙整体的形状和变化。尽管人们可以凭空想象宇宙整体的形状和变化，但之前谁也不知道应该怎样科学地加以处理。但是，爱因斯坦意识到，可以把自己提出的理论用作解决这个问题的工具。爱因斯坦认为宇宙空间是既不会膨胀也不会收缩的“静态物体”。但是，由于引力没有斥力（排斥力），所以大家认为星体和星系历经漫长岁月后会因相互的引力而彼此吸引靠近，最终会坍缩。因此，爱因斯坦在描述广义相对论的爱因斯坦方程上增加了一个表示斥力的项（宇宙项），使之与引力平衡，从而形成了静态的宇宙图像。但是，爱德文·哈勃（Edwin Hubble，1889~1953）后来通过观测发现宇宙在不断膨胀。爱因斯坦由此认识到了自己的错误，并说“引进宇宙项是我一生中最大的错误”（不过，也有人认为这句话是编造的）。
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本文摘编自《科学世界》2022年第11期《无处不在的相对论》。阅读全文可进入“科学世界微店”购买本期杂志。
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