上一回我们说到了爱因斯坦提出了相对论，根据他对物质和能量的理解，写出了那个著名的公式。
相对论也是“相对”的
一开始，相对论并不像现在有狭义和广义之分，后来，人们开始认识到这个理论只涉及到恒定速度运动的参考系，这就限制了理论的适用范围，似乎有些狭隘，这个相对论是无法处理有加速度存在的参考系的问题的。
另外，由于牛顿的万有引力被认为是瞬间作用于受引力的物体之上的，可以不考虑物体之间距离有多远，而这一经典引力观违反了狭义相对论的原则，任何力的传递速度都不可能比光速更快。
由此可见，狭义相对论既不能描述加速运动中的物体，也无法描述受到牛顿万有引力作用的物体。
引力弹弓示意图
下降还是漂浮，都是一个感觉
在科学史上总有一些瞬间，天才的思想者会开出不可思议的脑洞，让回顾历史的旁观者为之惊叹。
爱因斯坦每个工作日都在专利局的办公室写报告。他写作，思考，有时凝视窗外。1907年11月的某一天，透过窗户，他凝视伯尔尼城里的屋顶，意识到如果人在摔下屋顶时将感觉自身失去了重量。
这启发了他，让他沿着狭义相对论中分析时空的思路来思考引力问题。爱因斯坦将这一理念提炼为“等效原理”， 在局部区域，引力和加速度带给人的感受是一样的，它们实际上是一回事。
爱因斯坦认为这是他“最幸福的想法”。这与他在1905年提出的相对性原理同样重要。简单地说，在等效原理作用下，做自由落体运动的人无法区分自己是正受到引力的作用而下落，还是漂浮在失重的太空中。
但是这个原理中蕴含的道理所意味的内容，起初爱因斯坦并不能完全确定。他又花了5年的时间才终于弄明白，等效原理意味着引力和几何之间的一种极为特殊的联系。虽然我们平常感知到的时空好像是平直、刚性的，但时空的几何形状会出现弯曲和凹陷。
学过几何的人应该都知道，三角形的内角和是180°，一个圆的周长是圆周率乘以直径，两条平行线永远不会相交。这些都是定律，描述了数学家们所称的“平直空间”，或称“欧几里得空间”。
这个空间就是在日常生活中所熟知的三维空间，常用x、y、z这三条坐标轴来描述它。闵可夫斯基在这个空间的基础上提出，如果加上第4个时间的维度，之后，我们就得到了一个平直的四维时空。
在这种平直的时空中，想测量两点之间的最短距离其实就是它们之间的直线段的长度。可是在球面上就不是这种直线的距离了。
比如我们想知道在两个地方之间的最短距离，其实并不是一条直线，因为地球的表面是弯曲的，这种弯曲的球面上的距离实际上是一条弯曲的路径，称之为大圆弧，或者叫测地线。飞机进行长途飞行时的路径实际上就这这种路径。如果在地球的表面画一个三角形的话，它的内角和就会超过180°。
广义相对论的美，只有一个人能懂
在牛顿的经典力学体系中，外力是改变物体运动状态的原因。如果不受外力的话，物体就会保持静止或者匀速直线运动，这种运动的前提就是时空是平直的，牛顿所说的引力也是可以超越距离瞬间作用在物体上的。
但是，在爱因斯坦看来，如果时空是像地球表面那样弯曲的，在这种时空中运动的物体就会向着时空弯曲的方向运动，而且在这个过程中物体是在加速的。这样一来，在弯曲的时空中，引力就不再需要作用在物体上，物体自己会沿着弯曲的时空运动。
好比在蹦床上放置一个质量很大的铅球时会让具有弹性的蹦床表面弯曲一样，其他的物体如果离得太近，就会沿着由这种弯曲决定的最短路径运动。沿着这条路径自由下落而产生的加速度完全等价于在引力作用下产生的加速度。
这个想法提出几年后，美国物理学家约翰·惠勒相当简洁地总结了这种现象，时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲。
爱因斯坦发现，通过这一想法，他似乎就能在相对论的框架下解释有关加速度和引力的问题，后来这个理论就被称为广义相对论。
广义相对论认为，实际上并不存在引力这种东西，质量确实能够产生引力场，但是这个场就是时空本身的弯曲。
在1907年有了等效原理的想法之后，爱因斯坦又花费了8年的时间才形成了完整的理论，在这一过程中他经历了无数的挫折。
最终，于1915年11月25日，爱因斯坦向柏林普鲁士科学院提交了广义相对论场方程，用他自己的话来评价这个方程来说——
这个理论真是美丽到无以复加，可惜只有一个人能看得懂……
这个人就是德国数学家大卫·希尔伯特。
爱因斯坦提出的场方程极为复杂，甚至连他自己都认为如果不对它们进行简化就不可能得到方程的解。
可是过了几个月，德国数学家卡尔·施瓦西就得出了一组解。这个解是在一个巨大的、不带电的、静止的球形物体外部的引力场下的解，它可以近似地描述恒星或者行星这种缓慢旋转的物体。
施瓦西解有一个更为惊人的推论，天体周围存在一种基本的边界，称之为施瓦西半径。比如恒星或行星这样大型的球状天体，为了摆脱引力的影响，在表面的物体的运动速度必须超过一个数值，这个临界速度就是逃逸速度。
如果将这个球体压缩到施瓦西半径以内，它的逃逸速度将超过光速。这也就意味着，任何东西，甚至包括光在内，都无法逃脱其引力场的束缚。这里的时空完全被扭曲了，其结果就是产生了一个黑洞。
天才提出答案，我们负责证明
在发展和完善广义相对论的这段时间，爱因斯坦找到了几种从不同角度加以验证的方法。
第一个方法其实是通过验证而解开了一个谜团。
依据牛顿的万有引力定律，行星沿着椭圆轨道绕太阳运行，因此行星轨道上的近日点应当是空间中的一个固定点。在行星绕着太阳运行的过程中，近日点总是在同一个位置上。但是对于太阳系行星轨道的观察结果表明，它们的近日点并不是固定的。行星每公转一周，近日点都会发生一些轻微的移动，也被称为进动。
根据牛顿定律计算的水星近日点进动的数值和其观测值两者相差42角秒。牛顿定律无法解释这种差值，于是当时的科学家又想出了许多其他的解释，比如有可能在比水星离太阳更近的地方还有一颗行星，他们给这颗行星起名为“祝融星”，但是他们一直没有找到这颗行星。
不过爱因斯坦却惊喜地发现，通过广义相对论对水星周围的时空弯曲进行计算，得到的结果比牛顿定律的结果要多出43角秒。
要说广义相对论最为著名的预测，那应该就是远处恒星发出的光会在太阳附近发生弯曲了。
根据牛顿的估算，光在掠过太阳表面的时候会偏折大约0.85角秒，这是由太阳的引力造成的。由广义相对论计算出的时空弯曲对光的影响是这一结果的两倍，是1.7角秒，这就为我们提供了第二个检验广义相对论正确性的方式。
1919年5月，由英国天体物理学家阿瑟·爱丁顿带领的研究团队对太阳身后的多颗恒星发出的光进行了观测，其结果证实了广义相对论的预测。
广义相对论还预测了由时空弯曲所产生的一些其他效应，它们在某些方面与狭义相对论所产生的效应相似。
从地球上的实验室里发射出一道光波，光波的特征取决于其波长，就是相邻两个波峰之间的距离。当这个波向地球外部空间传播时，随着时空弯曲的程度逐渐减小，光波的波长也会随着距离的伸长而伸长，因此光波向外传播得越远，其波长就越长。
例如，一束在地球上看是橙色或是黄色的光，在传播到地球之外一定距离的某一点时，如果这个点的引力比地球小得多的话，它被测量的结果就会是红色光。物理学家将这种现象称为“红移”，更准确地说，是引力红移。
最后一个预测是在1916年6月。
爱因斯坦提出，某种大引力物体的运动过程会在时空中产生“涟漪”，就像通过蹦床上的弹跳，在蹦床的边缘产生的振动一样。这些涟漪被称为引力波。
2015年9月，在大约10亿年前的两个黑洞形成的双星系统土崩瓦解。由这一事件产生的引力波被一个名为激光干涉引力波天文台（LIGO）的实验合作项目探测到了。
现在可以这样理解爱因斯坦的理论了，狭义相对论在物理现实中建立起了两种基本关系，将空间和时间结合在一起成为时空，将质量和能量结合在一起成为质能，而在此之前这些东西是互不相关、彼此独立的；在广义相对论中，爱因斯坦则证明了这两种基本关系之间同样存在联系，存在着时空和质能的相互关联。
这种关系可以看作物理现实的“结构”，这是一个由空间、时间、质量和能量组成的结构，而我们正试着在这一结构的基础之上建立起一个物理体系。
这就是爱因斯坦为我们描述的这个宇宙的结构。
关于物质就先聊到这，下周咱们来聊聊黑洞，诺贝尔物理学奖奖的到底是什么，下周再见。
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