《宇宙之问》什么是广义相对论？

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科学聚焦发布时间: 11-0621:49

爱因斯坦的广义相对论是建立在几何语言上的物理理论，其主要内容就是物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。

虽然看上去只是简单的一句话，但是它合理地描述了引力现象，颠覆了牛顿的时空观和引力理论。时空自此之后被作为一种实体对待，爱因斯坦的这一认识受到了数学家闵可夫斯基的影响，爱因斯坦曾经了解过他的数学理论，把时间和空间连一起来作为一种实在的实体。

闵可夫斯基的数学是完全建立在弯曲时空几何上的，在这个奇妙的时空中，那些看上去不相等的线段却是相等的，三角形的内角和也会因为时空的弯曲不再等于180度，圆形也是一样，当把它放进弯曲的时空中时，会发现奇怪的事情发生，圆的原半径R不再等于周长C除以2倍圆周率。

如果去考察一个转动的圆盘，就能很好的理解这一切。有一圆盘的转动速度为V，我们推理下这个圆盘在速度的作用下会产生怎样的几何性状的改变呢？

一个半径为R的圆盘，在静止的时候，对圆盘的周长进行测量后，会发现圆盘的半径和周长的关系为R=C/ 2 π ，而当圆盘以速度V转动的时候，你站在圆盘之外，再次考察圆盘的周长时，却发生了变化。

为了便于区别，这次测量的周长定义为C ' ，你会发现测量的结果R≠C '/2 π ，发生这种现象的具体本质是怎样的？

要了解这一种现象，需要借助于爱因斯坦所创立的相对论去解释，圆盘在旋转的过程中，圆盘的半径R不再严格等于圆的周长C除以2 π，这是否意味着空间发生了弯曲呢？

如果认为圆盘在旋转的过程中R≠C'/2 π 是由于空间弯曲所引起的，那么这种认识就是错误的。圆盘在旋转的过程中，可以说没有发生任何弯曲，这是因为圆盘的半径R始终垂直于速度V的方向，根据爱因斯坦的相对论空间的尺缩效应只发生在与速度方向平行的方向上，由此可知半径R并没有发生任何变化，因此圆盘在转动的过程中，空间并没有发生弯曲。

圆盘的半径R没有发生变化，考虑圆盘的周长发生改变造成的R≠C '/2 π 这种行为，这意味着在对静止的圆盘和对运动的圆盘的周长做考察时，位于圆盘之外的观测者，在圆盘静止时所测得的圆盘周长并不等于圆盘在运动时所测得的周长。

由这个公式我们可以得到一个新的周长C’ ，如下：

我们从中可以显而易见的看出R≠C '/2 π ，公式中多了一个洛伦茨收缩因子，这是导致圆的几何性状改变的主要原因。

对于这个结果，我们也可以理解为圆的周长没有发生变化，空间发生了弯曲而造成的。

在旋转的圆盘上，还会引起另一种效应，时间弯曲，爱因斯坦创立的相对论告诉我们，时间在速度的作用下，会发生膨胀效应，膨胀效应的显著程度和速度有直接关系，其关系表达式如下：

做匀速圆周运动的圆盘，其角速度ω不发生变化，因此时间膨胀变成一个和半径相关的现象，时间随着圆盘半径的不同流逝的速率也不一样。

我们可以选取三只构造完全相同的时钟，设定好相同的初始化时间，这三只时钟在圆盘上随着半径的方向依次排开，圆盘以某一速度旋转一段时间后，你会发现这三只时钟的时间都不相同，距离圆心越远摆放的时钟，观测到的时间流逝就越慢，距离圆心越近的时钟，其时间流逝的越快。

转动的圆盘就像是一个反向的引力场，因为任何放在圆盘上的物体都会受到一个离心力的作用，如果反过来，就是半径越小，时间流逝的越慢，离圆心越近，意味着引力场越强，进而我们可以得出结论，引力可以时间变慢。

我们曾经做过这样的实验，在地球上，准备了两个铯原子钟，一个放在离地球的表面上，一个放在为5000米的高山上，经过一年以后，会发现位于高山上的那只要慢一些，尽管这种效应很微小，但是确是存在的。

这说明了在强引力的地方时间流逝的很慢，一个很鲜明的例子就是当宇航员进入黑洞视界后，时间基本上停止了，出现时间凝滞现象，如果这名宇航员有幸活着，他的一切包括心脏的跳动，新陈代谢等等都会进行的十分缓慢，生命也会被无限延长。

因此，爱因斯坦认为时空被周围的物质弯曲，行星的运动只不过是在弯曲的时空中沿着最省能量的最短线运动而已，引力的本质被爱因斯坦的广义相对论揭示了出来，不过这样的理论当时只有极少数人理解，随后经过一系列实验，才证明爱因斯坦的引力解释是正确的，其中光线经过弯曲的时空改变路径就是很经典的一次实验观测。