什麼原因，什麼樣的靈感從而有了相對論？

什麼樣的靈感產生相對論的呢？我們要從整個現代物理學的開頭說起。

17世紀，物理學史上誕生了一個偉大的人物，艾薩克·牛頓。牛頓的力學體系，解釋了物體下落和行星運轉的原因。他假設了萬物之中存在著一種相互吸引的力量，他稱之為「引力」。但是，這種力量如何吸引兩個相距甚遠，且中間又完全空無一物的物體的呢？牛頓並沒有解釋清楚。

牛頓的蘋果

牛頓想像物體是在空間中運動的，他認為空間是一個大容器，是一個平面，所有物體都在其中做著平直運動。這個也成為了「牛頓力學」最重要的前提。至於這個想像的空間，到底有多大，又由什麼構成的，牛頓並沒有給出答案。

空間是平直的

到了19世紀，英國的兩位大物理學家，法拉第和麥克斯韋，發現了「電磁場」，為牛頓的冰冷的世界添加了最重要的一筆。所謂的「電磁場」，雖然看不見摸不著，卻是一種無處不在的真實存在。他可以傳遞無線電波，可以振動，可以波動，還可以將電力四處傳播。電磁學的產生，是對牛頓力學的一個非常大的補充，解釋了物體相互吸引的原因。於是，他們合并起來，統稱為「經典力學」。

磁鐵的電磁場

愛因斯坦從小對於電磁場十分的著迷，可能源自於他那開發電廠的父親。很快，他想到，「電力」是由「電磁場」來傳播的，如果引力像電力一樣，那一定也存在一種類似於「電場」的「引力場」。於是，在那一剎那，靈光一現，愛因斯坦想出了一個極其大膽的想法：如果有「引力場」，那麼「引力場」並不瀰漫於整個空間，因為他本身就是空間。這成為了廣義相對論的思想基礎。

其實，牛頓的承載萬物的空間，跟愛因斯坦提出的「引力場」，是同一個東西。這造就一個極其驚世駭俗的想法：空間不再是一種區別於其他物質的存在，他本身就是構成物質的一部分，他可以波動，可以彎曲，可以變形。我們不是在一個看不見的堅硬的框架裡面，而更像是在一個巨大的容易形變的軟體動物中。

地球圍繞太陽旋轉，並非是因為某種神秘力量的作用，而是太陽巨大的質量使得空間發生彎曲，地球繞著已經彎曲的曲面運行而已。就像一個漏斗，彈球在漏斗中滾動，並非是因為漏斗中心有什麼神秘的力量。所以，無論是行星的旋轉，還是物體的下落，都是因為空間發生的彎曲。

引力場

當然，一個原理單單能夠解釋現象時不行的，還需要有定量的分析和數學上的精確計算。那如何用數學的方式，去描述一個表面不平直的曲面呢？（我們一直學習的幾何學，都是「歐幾里得幾何學」，即表面是平直空間）。19世紀最偉大的數學家，「數學王子」高斯，已經寫出了描述二維曲面的公式。他還讓他的得意門生將這一理論推廣到三維乃至更高的維度，這個學生就是波恩哈德·黎曼。他以此課題做為博士論文的題目，不過當時看來完全無用。

愛因斯坦通過空間的計算，發現以「引力場」為原型的計算，三角形的內角和會大於180度，這就證明了空間更像一個球面。在得知黎曼的幾何學是以此為基礎之後，苦學黎曼幾何。後來傳說，廣義相對論問世的時候，全世界只有3個人看得懂，其實不在於相對論的內容有多麼艱澀。而是因為他使用的數學工具，其他的物理學家完全沒有接觸過。

圖一：黎曼幾何，圖三是歐幾里得幾何

愛因斯坦通過黎曼幾何對於空間曲率等等的計算，建立了十個「二階非線性的偏微分方程組」。從此，一個空間彎曲的宇宙，被框在一個優美的方程之下。它看似像瘋子一樣胡言亂語，但眾多預言確得到證實。

首先，這個方程描述了空間如何在恆星周圍發生彎曲的。他預測，這種空間彎曲，不僅僅使行星圍繞恆星轉，就連光也會發生偏折，不在走直線。這個預言，在1919年，被英國著名的物理學家亞瑟·斯坦利·愛丁頓，觀測證實。他還預測，不僅僅是空間，時間同樣也會發生彎曲。離大質量物體近的地方，空間扭曲更嚴重，時間也會相應變慢。這一預測後來也得到證實。例如我們的地球同步衛星，每天會比地面慢8微秒，需要每天都對衛星的時間做調整。如果不做調整，1個月之後，GPS給我們的導航，將會誤差數十米。

光線引力偏折

這幾個預言的證實，讓愛因斯坦成為了整個物理學界的明星。在第五屆索爾維會議，愛因斯坦攜帶相對論，以至高無上的物理學的地位，在全世界最著名的物理學家中，坐在最中心的位置。邊上就有偉大的居里夫人、盧瑟福，以及後來跟他爭執半生，引領量子物理的泰斗人物---尼爾斯·亨利克·戴維·玻爾。

第五屆索爾維會議

話說回來，廣義相對論的預測遠遠不止這些。他還預測，當一個恆星燒完所有燃料的時候，會因為自身的重力而坍塌，形成一個空間極度扭曲，最終連光都無法逃離的「暗星」（「暗星」這個名稱並非愛因斯坦提出，黑洞的預言也是起源於場方程中的一個奇點），這就是後來著名的「黑洞」。如今，雖然依然無法有效觀測黑洞，而且黑洞的數學模型也無法統一，但天文學家已經通過現象確認了黑洞的確是真實存在的。

不僅如此，還有更精彩的。在場方程計算時候，愛因斯坦意外的計算出，宇宙是在膨脹的。這個結果甚至把他自己都嚇了一跳。甚至不惜在方程中加一個常數，來避免這種情況。但這一點，在多年後被另一個偉大的物理學家愛德溫·哈勃所發現的「紅移現象」做證實。他觀測到，所有的星球都在遠離我們，而且離我們越遠的星體，遠離的速度越快。這直接證明的宇宙膨脹理論。

紅移和藍移

而且，宇宙膨脹的證實，還產生的一個副產品。人們想像，既然宇宙這麼大，是一直膨脹的結果，膨脹了130多億年，那宇宙的起始狀態，會不會是很小的一個點呢？這就誕生了另一個大膽的猜想---「宇宙大爆炸」。而這個猜想也被科學家觀測到的「宇宙背景輻射」所證實。所謂的背景輻射，簡單說就是宇宙爆炸後產生的餘溫，而且由於空間的彎曲，這個餘溫一定是不均勻的。

宇宙背景輻射

此外，這個理論還說，空間並不平直，他是像海平面一樣起伏不平的。正如水波是一種能量，可以觀測。那麼「引力場」中也應該會有「引力波」的存在。這一個偉大的設想，在100年後的2016年，通過引力波探測器，得到證實。

空間產生的波紋

總之，愛因斯坦的理論為我們描述了一個絢麗多彩的顛覆式的世界。在這個世界既有爆炸的宇宙，又有坍縮的黑洞，還有彎曲的空間和扭曲的時間。而這一切的開始，僅僅來自於一個偉大科學家的奇思妙想。這裡，也需要提醒一下，這並非說「萬有引力」是錯誤的。在太陽系下，牛頓力學的預測程度，依然堪稱完美。人造衛星的升天，還用不到相對論。相對論更多的是遇到極大天體，極遠大星系時候，能夠使用到的理論。

最後將愛因斯坦的場方程，粘貼到這裡

他解釋了宇宙中最宏大最複雜的現象，而本身就如此簡單。也提醒著我們，這個世界的美妙，需要我們每個人自己去實踐和探尋。

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