Question

通俗理解爱因斯坦的广义相对论

Answer 1

在狭义相对论中，如果我们尝试去定义惯性系，会出现死循环：一般地，不受外力的物体，在其保持静止或匀速直线运动状态不变的坐标系是惯性系；但如何判定物体不受外力？回答只能是，当物体保持静止或匀速直线运动状态不变时，物体不受外力。很明显，逻辑出现了难以消除的死循环。这说明对于惯性系，人们无法给出严格定义，这不能不说是狭义相对论的严重缺憾。为了解决这个问题，爱因斯坦直接将惯性系的概念从相对论中剔除，用“任何参考系”代替了原来狭义相对性原理中“惯性系”。

爱因斯坦认为宇宙就像一张绷在方框上的床单，质量巨大的星系就像放在床单上的铅球。铅球在床单上压出的坑，竖起来看就相当于哈哈镜。而光线通过这些哈哈镜时会使我们产生宇宙广阔无边的幻觉。就像是弯曲的鱼缸里的金鱼。

广义相对论否认宇宙空间是平的，他认为宇宙就像一张放了无数棉花球和铅球的床单，床单被这些球压出深浅不一的坑。牛顿之所以认为宇宙是平的，是因为他只看到了几乎压不出坑的棉花球——地球。想在宇宙空间中压出明显的坑来，需要巨大的质量（即重量）。太阳这么大的星球也只能压出几个原子大小的坑（即坑深只相当于几个原子的直径），这样的坑，我们用现在最先进的仪器也测不出来。所以，要找到地球人看得见的坑，必须放眼整个宇宙。

通过上面的讲解，我们都知道，任何有质量的物体都会使空间弯曲，我们试想一下，如果有某个物体，质量非常的大，但体积却很小，会发生什么呢？是的，就会产生黑洞，这个物体会使周围的空间深深地塌陷，只要是有物体从其周围经过，巨大的引力会直接把其拉扯进去，光也不列外。

如果我们能接近黑洞达到一定半径之后，时空弯曲会变得无穷大，这时我们不再像是下缓坡，而是突然从悬崖边上掉下去了——你走得太远了，已经无法找到回家的路。此即“史瓦西半径”，即黑洞的半径。任何东西包括光线进入黑洞半径后将无法逃走，最后一定会被黑洞撕碎吞掉。黑洞质量巨大，最大黑洞的质量据说超过太阳10亿倍。

广义相对论还发现了引力波，质量巨大的星系在宇宙中压出深坑的同时还会形成“引力波”。任何被外力弯曲的物体在连续时间里都会形成“波”，比如风吹西湖会产生水波。这种星系弯曲过程中在宇宙中形成的“波”，就是引力波。引力波处处存在。

GPS、原子弹，发射线治疗、粒子加速器的制造和使用，都需要借助于相对论效应，相对论看似是一个很深奥的物理理论，但是在我们的身边可谓是无处不在，而且相对论出提出的“光速不变理论”、“扭曲时空”的概念，也为科幻主题电影提供了无限的创作灵感。