4.2　广义相对论的由来

狭义相对论解决了光速不变原理与牛顿力学的矛盾，但爱因斯坦并未就此止步，他以极其敏锐的逻辑思维的洞察力，发现牛顿引力定律与狭义相对论的时空观不协调。牛顿引力定律把此时此地的一个物体的运动和同时的远处的另一个物体的作用连接在一起，它们之间的引力依赖于那个时刻它们之间的距离。这意味着，如果移动其中一个物体，那么加到另一个物体上的力会即刻改变。试设想一下，如果太阳忽然消失，根据牛顿引力论，地球会立刻觉察到太阳的引力消失而飞离轨道。但是，太阳的光传到地球需要8分钟，按照狭义相对论，太阳引力效应的消失不可能超过光速，达到无限大的速度。

爱因斯坦用了整整10年的时间寻找一个和狭义相对论相协调的引力论，直至1915年，他终于找到了解决答案，提出了广义相对论。广义相对论突破了牛顿力学和狭义相对论都只能应用于惯性坐标系的局限，建立了适用于一切坐标系的引力方程（定律）。

我们继续追随爱因斯坦设想的理想实验：有一个以不变加速度向上运动的升降机，在升降机内部和升降机外部各有一个观察者，他们对于升降机内的物体运动会有完全不同的解释：外面的观察者相信升降机在做加速运动，而封闭在里面的观察者相信物体受到引力的作用，他们很自然地都坚信自己的观察是正确的。爱因斯坦通过引力场的概念，在两个相对做非匀速运动的坐标系之间建立了“桥梁”。

这个推理的过程稍长，这里只给出广义相对论导出的一些推论。它们最初还只是惊世骇俗的预言，在后来的科学观测中才得到进一步的证实。

广义相对论的推论之一是引力场会改变时间，对于在一个引力场中不同高度的两个观察者，时间推移的快慢不一样，接近地球地面处的时钟走得更慢一些。这个发现对于当今依赖卫星信号的精密导航系统已经有了重要的实际意义，如果忽视地球上方不同高度钟表的速度之差，计算得出的位置会差及几英里。

广义相对论的另一个推论是引力场会使光线弯曲。例如，由于太阳质量很大，在太阳附近通过的光线会朝向太阳稍微弯曲一些。

实际上，广义相对论对引力有着同牛顿引力定律完全不同的理论，建立了引力场的全新的结构定律。广义相对论的新的引力方程推出行星在围绕太阳转动时，其椭圆轨道本身也相对于跟太阳联系的坐标系缓慢转动（进动）。由于水星距太阳最近，这种效应比其他行星更明显些，也需要300万年才转完一圈。新理论成功地解释了水星运动跟牛顿定律计算出的运动轨道发生这种微小偏差的原因。

广义相对论把我们存在的时间和空间的概念延伸了，三维的空间和一维的时间紧密构成四维连续区，时间不能完全和空间分离而独立，由于在时空中的质量和能量的分布，使时空成为弯曲空间。在这样的空间中，我们熟悉的平面几何（欧几里得几何学）的定律不成立。物体在引力的作用下在四维时空中沿着一条弯曲的轨道运动，实际上，这个路径在数学上称为测地线，它是该两点间的最短（长）路径（相当于欧几里得几何学中连接两点的直线）。光线在时空中也必须遵循测地线，也就是说，在弯曲的时空中显得不是沿着直线行进。这个预言在后来多次的科学观测中被准确地证实。

必须指出，广义相对论并非推翻了以前的牛顿引力定律，只有在引力比较大的地方才能发现牛顿引力定律的偏差。广义相对论对时空连续区进行了更深入的分析，建立了新的引力方程，它不再限于惯性坐标系，可以在一切坐标系中应用。