知乎盐选会员精选文章大家好，我是吴国盛，欢迎和我一起走进「20 世纪十大思想家」。
上一节我们说了狭义相对论，这一节，我们将为大家接着讲解爱因斯坦的广义相对论。
狭义相对论主要处理的是在惯性系中，也就是说，两个互相做匀速直线运动的参照系之间的变换。在这两个参照系中，时间、空间都是相对的，但是组合起来构成了某种不变性。所以，大家不要以为爱因斯坦的相对论就能导出相对主义，以为在爱因斯坦思想看来，世界上一切都是相对的，这不对。
捍卫不变性
爱因斯坦其实早期希望把相对论叫做不变性理论，而不是相对性理论，因为他担心大家误解。其实爱因斯坦强调，物理学里面应该有一个原理是始终得到保持的，这个原理就是相对性原理，也就是说，物理学的方程、物理学的理论，不应该在不同的参照系中发生改变。所以这种不应该改变，就说明了他实际上想捍卫的是不变性。就是说，在一个静止的参照系中完全适用的牛顿原理，到了一个惯性系中，在一个匀速直线运动的惯性中，这些原理也应该同样能够成立。这是狭义相对论的内容。
但是，这个相对性原理能不能继续运用到非惯性系？能不能继续运用到加速的参照系？这是爱因斯坦在完成了狭义相对论之后，进一步思考的问题。
「广义相对论」的起源
广义相对论起于一个新的原理，这个原理我们称它为等效原理。什么是等效呢？其实在牛顿力学里，有两个质量，是我们需要考虑的。一个质量叫做惯性质量，惯性质量是牛顿第二定律所蕴含的质量。这个质量告诉我们，一个物体受到力的作用所产生的运动改变，取决于它的质量，质量越大改变越不容易，质量越小改变越容易，我们都学过 F=MA。在相同的力作用下，质量越大的物体，加速度就越小。因此你上街买东西，买一个西瓜，买完之后，那个人告诉你这是五斤重，可是你拿来掂量掂量，觉得没有五斤重，你之所以能够掂量出它的分量，就是因为你使用了牛顿第二定律，这个叫做惯性质量。
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牛顿第二定律，F=MA
但是牛顿还有一个质量叫做引力质量，那就是在万有引力方程里出现的质量，那个质量决定了两个物体之间相互吸引的力度。牛顿想当然把这两个质量看成同一个质量，他说为什么惯性质量就必定等于引力质量？爱因斯坦认为，这应该作为一个物理原理确定下来，叫做等效原理。如果你承认引力质量和惯性质量是相等的，那就意味着你其实是承认了惯性场和引力场是不可区分的。
惯性场 vs 引力场：「电梯实验」
什么叫惯性场和引力场不可区分？爱因斯坦举了个例子，他喜欢举例子，喜欢做思想实验，喜欢把他的概念转化为图像。我们现在看一看，著名的爱因斯坦「电梯实验」，爱因斯坦设想，一个人坐在电梯里面，假定这个人有 100 斤重，他的脚下放一个秤，那个秤就指示出他有 100 斤重。突然称由 100 变成了 0，请问发生了什么事情？
很多人可能会知道，第一，很有可能是电梯的缆绳被人剪断了，这时候电梯开始做自由落体运动，里面的人和秤也做自由落体运动，因此这个人对称就没有任何压力，电梯、人、秤都在做自由落体运动，这是一种情况。
爱因斯坦说，还有一种情况你们没有注意到，什么情况呢？那就是地球没了，地球被上帝取走了。地球取走以后，电梯也好，人也好，秤也好，全部处于失重状态。但是爱因斯坦要说的是，在一个封闭的电梯里面，当你突然失重，你是没有办法知道究竟是地球没了，还是地球在，但是电梯的缆绳被人剪断了。
这两种情况对应的是不同的情况。当缆绳剪断的情况下，是一个加速场和引力场的叠加；当地球没的情况下，是引力场缺失。那究竟是引力场和加速场叠加，还是引力场缺失？爱因斯坦说这两者不可区分，这个不可区分就叫做等效原理。
「广义上相对论」消解了引力？
这个理论思想就成了广义相对论的基础。利用这个思想，爱因斯坦进一步得出一个结论，就是物理学的方程、物理学的理论，通过等效原理的方式是可以推广到加速场之中。因为所有的加速场其实就是引力场，所有的引力场也就是加速场。
那么广义上相对论的基本原理，就排除了过去把引力单纯看作引力。我们知道，在牛顿体系里面，引力就是引力，空间就是空间，时间就是时间，物质就是物质，运动就是运动。我们看空间、时间、物质、运动、引力，这五个东西相互之间没有关系。
在狭义相对论里，时间、空间和运动勾连在一起。现在爱因斯坦又进一步把时间、空间与物质、运动勾连在一起，相反引力被消掉了。爱因斯坦认为，在广义相对论里，引力不再有必要存在，引力完全可以看做是空间本身的变化。在有质量的情况下，一切空间和时间都会发生弯曲。
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月亮绕着地球转
所以月亮之所以不离开地球，不是因为地球对它产生了引力，而是地球这个大质量的周边空间都发生了弯曲，所以月亮自然就会沿着短程线运动。
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这就好比，在一个弹簧床上，放了一个大球，大球就把弹簧平面压成了曲面，这个时候你在床上放任何一个小弹子球，这个弹子球就主动朝向大球运转、运动。这里并不是因为大球在吸引小球，而是因为大球的存在改变了空间的格局，使得小球就会朝那运动。所以非常简单。这个例子不是很恰当，但是基本上也可以说明，爱因斯坦认为所谓的引力不过就是空间弯曲。
所以爱因斯坦的广义相对论，说得简单一点，就是大的质量周边必然产生时间空间的改变，这种时间空间的改变就会影响在时间空间中运动的一切物体，既包括苹果，也包括月亮，还包括光线。
光线也会发生弯曲？
这是令人吃惊的。因为牛顿从来没有预言过光线会发生偏转，但是在爱因斯坦的思想里，因为空间本身发生了弯曲，因此空间中一切运动都会产生相应的弯曲，因此他有一个惊人的预言：在大引力场的周边，光线也会发生弯曲。
这件事情他早年就呼吁大家去检测，爱因斯坦有一度曾经还想自己掏腰包请人去检测，结果没有检测成。一战爆发的那一年，他就派人到俄国克里米亚去检测，结果那次没有成功，天气也不好，然后出去检测的人也被俄军给抓获了，以为他们是间谍。我们知道，最终的检测是到了 1919 年，爱丁顿带领考察团到非洲普林西比岛做了一次检测，那次检测非常成功，证明了光线通过太阳的时候，的确发生了偏转，而且偏转的程度与爱因斯坦广义上论所预言是完全一致的。
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亚瑟·斯坦利·爱丁顿（Arthur Stanley Eddington，1882 年 12 月 28 日—1944 年 11 月 22 日），英国天文学家、物理学家
太阳是我们周边最大的引力场，因此要检测星光在引力场中的偏转，太阳是最好的。可是太阳平时太亮，我们没办法检测太阳背后的星光能不能绕过它被我们看到。但是科学家早就意识到，有一个很好的机会，那就是日全食。日全食的时候，月亮把太阳整个给挡住了，这时候天空变黑了，所以太阳背后的星光，这个时候有可能绕过太阳被我们看到。爱因斯坦当年已经建议他的朋友们在日全食的时候去观测，但是当时各种各样的条件限制没有成功，最后是爱丁顿检测成功。
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2016 年 3 月 8 日食，NASA 在 NASA TV 的视频截图。图片：NASATV
爱丁顿检测的结果表明，的确有太阳背后按道理不应该被我们看到的恒星，结果被我们看到了，看到的角度和爱因斯坦相对论所预测的是完全一样的。
所以广义相对论得到了极高的验证，而且从那时候开始，爱因斯坦就成了一个国际知名人士，妇孺皆知，老少皆知，受到了明星一般的对待。
好的，本节我们就讲到这里。下一节我将为大家介绍宇宙学。