為什麼愛因斯坦能夠發現廣義相對論

愛子峰是廣義相對論。

狹義相對論又稱狹義相對論，廣義相對論又稱廣義相對論。

狹義相對論僅限於相對論，相對論討論了慣性系的情況。 牛頓的時空觀是，空間是乙個直線的、各向同性的、點各向同性的三維空間，時間是獨立於空間的單一維度（因此是絕對的）狹義相對論認為，空間和時間不是相互獨立的，而是乙個統一的四維時空整體，不存在絕對的空間和時間。

在狹義相對論中，時空作為乙個整體保持平坦、各向同性和點各向同性，這是相當於“全球慣性系”的理想條件。 狹義相對論以真空中的光速為常數作為基本假設，結合狹義相對論原理和上述時空性質可以推導出洛倫茲變換。

廣義相對論是阿爾伯特·愛因斯坦於 1915 年發表的理論。 阿爾伯特·愛因斯坦提出了“等效原理”，該原理指出引力和慣性力是等效的。 這個原理是基於引力質量與慣性質量的等價性（目前實驗已經證實，在10 12的精度範圍內仍看不到引力質量和慣性質量之間的差異）。

根據等效原理，愛因斯坦將狹義相對論原理推廣到廣義相對論原理，即物理定律的形式在所有參考係中都是不變的。 物體的運動方程是該參考係中的測地線方程。 測地線方程與物體本身的固有屬性無關，而只取決於時空的區域性幾何屬性。

引力是時空幾何特性的表現。 物質質量的存在會引起時空的彎曲，其中物體仍然沿著最短的距離運動（即沿著測地線——在歐幾里得空間中，它是直線運動），例如地球在彎曲時空中的測地線運動是由太陽引起的，它實際上是圍繞太陽旋轉的，從而產生引力效應。 就像在地球的曲面上一樣，如果它沿直線移動，它實際上會繞著地球表面的大圓圈行走。

光速不變原理：即在任何慣性系中，真空中光速c相同，即299,792,458m s，無論光源和觀察者的運動如何。 我以前寫過的所有關於狹義相對論的文章都集中在它的特殊影響上，特別是同時性的中斷是否會導致違反因果律。

但與此同時，我們意識到狹義相對論的前提是有缺陷的，即慣性系統很難定義，因為它們都是為了解決慣性系統的問題。 基於此，愛因斯坦乾脆放棄了“慣性系”的定義。

愛因斯坦為什麼要提出他的廣義相對論？ 因為狹義相對論並不完美？ 愛因斯坦想，既然慣性系很難定義，那我就忘了，然後從乙個適用於所有參考係的理論開始，不一定適用於慣性系，這是乙個大膽的想法，因為牛頓總是用慣性系作為他的力學理論的前提。

既然愛因斯坦已經通過消除慣性系統擴大了他的理論範圍，那麼這樣的理論真的能成功嗎？

事實上，不需要定義的慣性理論就是廣義相對論。 廣義相對論適用於所有參照系，所以以前有沒有絕對參照系的問題，現在在廣義相對論中，這個問題不需要討論，因為有沒有絕對參照系，我的理論適用。 但狹義相對論不能，它必須建立在：

沒有絕對的參照系。

那麼廣義相對論是什麼意思呢？ 事實上，它研究巨集觀物體的運動，無論是在低速還是高速下，無論您處於哪個參考係。 在解釋之前，狹義相對論在處理加速度參考係時，自加速參考係速度不是慣性坐標系，需要改變處理方式，將每個加速度瞬時速度視為慣性坐標系，然後**等效加速度過程：

不斷切換慣性坐標系進行加工。 由於瞬時速度是無限的，因此對無數的相對論效應進行積分是非常麻煩的。 但廣義相對論不需要變換，它可以直接計算。

愛因斯坦的廣義相對論是研究物體相對於周圍環境的加速度，尤其是那些以前被認為是由“引力”效應引起的物體。 廣義相對論將引力解釋為時空的曲率。 根據這個理論，行星圍繞恆星的軌道，彗星行進的雙曲線路徑不是由於引力的“作用”，而是由於恆星質量引起的空間扭曲。

愛因斯坦的靈感來自他後來所說的“我一生中最快樂的想法，如果乙個人自由地跌倒，他就不會察覺到自己的品質。 重要的思想是空間和時間的統一性，在他的狹義相對論中，空間和時間已經是相關的，不是直線的，而是彎曲的，被存在的物質彎曲。 愛因斯坦認識到，這種曲率將導致一種稱為引力的現象。

牛頓認為重力是物體相互吸引的力，儘管他的方程是完美的，但他經常小心翼翼地說他不知道這種作用在遠處物體上的奇怪力是什麼。 廣義相對論解決了這個問題。 沒有力，物體只是沿著時空中最短的路徑移動。

在平坦的表面上，最短的路徑是一條直線，也稱為測地線。 在像地球這樣的球面上，測地線是圓上的弧。 但在複雜的彎曲時空中，物體遵循的測地線可能是橢圓或雙曲線，或者是牛頓引力理論描述的任何路徑。

事實上，根本沒有引力這樣的東西：正如美國物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）所總結的那樣，“空間告訴物質它如何運動，物質告訴它如何彎曲”。

事實上，一旦愛因斯坦掌握了描述他的四維表面的微妙數學工具，相對論就像17世紀的牛頓方程組一樣，除了少數極端情況外，一切都變得清晰起來。 這些情況包括極其巨大的事物，其中時空如此彎曲，以至於牛頓方程不可能為真。 阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）意識到這種差異在水星軌道上是可見的。

天文學家對這顆離太陽非常近的小行星進行了長期觀測，發現它的軌道在不斷變化，這種運動在經典引力理論中是無法解釋的。 但根據相對論，由於靠近太陽，這種額外的空間曲率使水星的軌道扭曲了今天的樣子。

幾年後，愛因斯坦將廣義相對論的場方程擴充套件到宇宙學，令他沮喪的是，這些方程預測了乙個動態的宇宙，其中宇宙將膨脹或收縮，而不是像科學界普遍認為的那樣是靜止的。 因此，愛因斯坦引入了一種他稱之為宇宙常數的力，因此他的方程可以給出靜態宇宙的結果。 “這是我一生中犯過的最大錯誤，”他後來回憶道。

不久之後，天文學家發現宇宙確實在膨脹，相對論自始至終都是正確的。

愛因斯坦的廣義相對論到底是什麼？

愛因斯坦的廣義相對論可以用以下幾句話來表達：時空告訴物質它是如何運動的; 物質告訴時空是如何彎曲的。

廣義相對論是一種基於空間扭曲來描述物質之間引力相互作用的理論。 廣義相對論的核心思想是，任何有質量的物體都會引起時空彎曲，物體會在這個彎曲的時空中進行慣性運動。

廣義相對論描述了引力的本質，這意味著引力不存在，而只是時空曲率的影響。 在美國物理學家約翰·惠勒的解釋中，愛因斯坦的幾何引力理論可以概括為：時空告訴物質如何運動，物質告訴時空如何彎曲。

也就是說，引力只是時空彎曲的外在表現，物質的運動受到引力的影響，而引力實際上只是時空彎曲引起的效果。

在狹義相對論的基礎上，愛因斯坦利用“思想實驗”，根據同一物體的慣性質量（牛頓第二定律確定的質量）和引力質量（萬有引力定律確定的質量）總是相等的實驗事實得出了重要結論： 觀察者在加速系統中看到的所有物理現象都等同於靜止觀察者在引力場中看到的物理現象。例如，如果公升降機在重力空間中以與地球重力加速度相同的加速度上公升，則機器中的觀察者將觀察到與站在地面上觀察自由落體運動的人相同的下落定律。

這時，畫面中的人可以假設物體的下落是力（慣性力）的結果。 愛因斯坦引入了等效原理，即小體積內的引力和一定加速度系內的慣性力是相等的，同時將狹義相對論原理推廣到廣義相對論原理，即物理的基本定律甚至自然定律對於任何參考係都是相同的， 具有相同的數學形式。基於這兩個原理的理論，適用於所有參考係，稱為廣義相對論。