Question

爱因斯坦的广义相对论是什么理论？

Answer 1

简单来说，爱因斯坦在一百多年前创立的广义相对论是一种引力理论，描述宇宙中天体的引力作用。关于引力理论，我们最早接触到的是牛顿在17世纪提出的万有引力定律。那么，爱因斯坦的引力理论与牛顿的有什么区别呢？

在牛顿看来，宇宙中任何有质量的物体之间都会存在引力作用。大到天体，小到细菌，引力作用始终存在。无论距离多远，都会存在引力，并且这种作用是瞬间产生的超距作用。根据万有引力定律，物体之间的引力正比于物体质量之积，反比于物体之间的距离。牛顿的万有引力定律非常成功，它解释了为什么苹果会落地，为什么地球会绕着太阳旋转，甚至还能预言此前尚未发现的海王星的存在。

但到了19世纪，天文学家发现万有引力定律存在缺陷。行星在绕着太阳运动过程中，每一圈的近日点其实都是不一样的，这种现象被称为近日点进动。越靠近太阳的行星，近日点进动值越大，水星近日点具有最大的进动值。

天文学家通过观测发现，水星近日点进动的观测值与通过万有引力定律计算出来的结果存在一些差异，观测值与理论值每个世纪相差43秒，这远大于观测误差，所以必然是理论出了问题。

直到20世纪初，爱因斯坦提出了广义相对论，水星近日点进动问题才得到完美的解释。根据广义相对论，空间不像牛顿所描述的那样是绝对平直的，而是会在质量和能量的作用下发生弯曲。在弯曲的空间中，天体与光都会沿着测地线运动，由此表现出引力效应。

根据广义相对论，太阳弯曲了周围空间，如果有光从太阳表面上方穿过，其偏转角度约为1.75角秒，这是通过牛顿引力理论计算出结果的两倍。不久后，爱丁顿借助日全食的时机，测量了背景恒星发出的光从太阳附近经过时所偏转的角度，结果与爱因斯坦的预言相符合，这进一步证实了广义相对论。

此后，广义相对论的几大预言——引力红移、引力时间膨胀效应、引力波，都被逐一证实，这奠定了广义相对论在现代物理学中的重要地位。广义相对论的一大实际应用是对导航卫星的时钟校准。由于导航卫星远离地球，所受地球引力作用较弱，所以星载时钟走得比地面时钟快一些。另外，还要考虑到狭义相对论所带来的钟慢效应。虽然这种时间差非常微小，但在导航卫星定位过程中会出现巨大的误差。因此，需要排除掉相对论造成的时间膨胀效应，导航卫星才能起到精确定位的作用。

迄今为止，广义相对论是描述宇宙引力现象最为成功的理论。万有引力定律只是广义相对论在弱引力场中的一种近似理论，但由于牛顿引力理论的形式更为简单，所以在精度要求不高时可以方便使用。