題記：預祝各位讀者2016年身體健康、家庭和睦、事事順利！在2015年最後一天，謹以此拙作致敬20世紀最偉大的科學傑作《廣義相對論》發表100周年！我堅信，這是您看過的最簡單易懂的相對論科普文章。
導讀
如果我不發表《狹義相對論》，五年內就能有人發表
如果我不發表《廣義相對論》，五十年內恐怕都無人能發表
——阿爾伯特∙愛因斯坦
點進來看的朋友估計十有八九是衝著這個牛逼哄哄的標題的，為防淪為標題黨，下面就用一句話概括愛因斯坦的傑作《廣義相對論》：
任何物體的自身質量都能不同程度地引發空間彎曲（時空扭曲），從而形成我們常識裡認知的所謂「萬有引力」。
看明白了沒？不明白我再換個說法：世界上沒有「萬有引力」，它是質量引發的空間彎曲造成的假象。這下明白了麼？不明白也沒關係，2015年是《廣義相對論》發表100周年（1915年11月25日），而這一理論迄今只有1‰不到的人能真正理解。
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有耐心的咱繼續，先來理一下
相對論的「生平」
人類文明發展至今，科學家的聖殿裡人才濟濟，他們為今天高度發達的社會文明和技術進步提供了前僕後繼的卓越貢獻。然而，在這殿堂裡，每一門學科僅有屈指可數的幾位巨匠能冠以裡程碑式人物這一頭銜。在物理學界，僅三位宗師有此殊榮——伽利略、牛頓和愛因斯坦。
在牛頓經典力學（還記得初中物理？）理論之前，伽利略幾乎為當時人類所有已知的物理現象作了總結和歸納，並將這一學術成果轉化到天文學界。牛頓所說的自己是站在巨人們的肩膀上獲得的成就，伽利略就是他所提的巨人裡最偉大的一位（沒有之一）。這位涉獵廣泛的科學家甚至是文藝復興後期的標誌性人物。而巧合般地誕生於伽利略逝世同一天的伊薩克·牛頓在25歲前幾乎完成了包括經典力學原理在內的所有個人科學成果（成名要趁早啊）。此後，物理學界在其學術成果基礎上發展了分析力學（拉格朗日）、波動光學（託馬斯∙楊）、電磁學（麥克斯韋）、熱學（焦耳）。難怪，1900年物理學大會上，開爾文勳爵說，「物理學大廈已經建成，今人只需做一些修繕即可」，然而這位洞悉力不凡的科學大家也表示，「大廈外明朗的天空中還飄著兩朵烏雲——黑體輻射和邁克耳孫實驗」。果然，這兩朵烏雲在五年內分別灌溉出兩個顛覆性理論：「量子理論」（1900年）和「（狹義）相對論」（1905年）。
這兩個理論在一百多年後的今天依然指引著物理學界不斷前進。當然，本文主要談相對論。
在愛因斯坦最初公布其理論時，科學界因為其高深莫測而一片茫然，甚至數年內緩不過來。直到1919年一戰結束其理論得到逐一驗證，愛因斯坦才成了新的物理學權威並被奉為天才級科學家。儘管如此，1921年，愛因斯坦最終獲得諾貝爾物理學獎的原因仍然不是其相對論，而是表彰他在光電理論方面的傑出貢獻，世紀最偉大的科學理論竟沒有得到諾獎，也是史上一大遺憾了。
先簡單說一下《廣義相對論》的前奏——《狹義相對論》。1905年被稱為「愛因斯坦奇蹟年」，這位牛頓之後最偉大的物理學家從一個籍籍無名的「屌絲」——專利局小公務員一下名震學界，他在當年先後發表了《分子大小的新測定》、《熱的分子論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動》、《光的產生和轉化的一個試探性觀點》三篇重磅論文，緊接著他又發表了《論動體的電動力學》和《物體的慣性是否決定其內能》等兩篇闡述相對性原理的文章（後被歸為《狹義相對論》）。在這些論文發布的開始幾年裡，大西洋兩岸的科學家大都陷入困惑，因為早幾年他們還沉浸在歡呼物理學有關問題都趨於解決的快樂之中，沒想到一個26歲的年輕人瞬間把物理學帶進了新的高度。先總結一下狹義相對論的核心：
1. 相對性原理——所有物理學定理在慣性系中都有相同的表述（顛覆牛頓經典運動力學）
2. 光速不變原理——在所有慣性系中，真空中的光速維持速度C（30萬公裡/秒）不變。
沒想到吧，《相對論》就這麼簡單，難怪一直拿不到諾獎呢，嘿嘿
這兩個理論推導出我們現在科普中經常提到的幾個推論
— 我們生活的世界裡，所有物質能達到的速度上限是真空中光速c
— 時間膨脹理論（時間和空間是統一的，高速運動中的物體可明顯體驗到時間變慢）
— 物體縮短，即高速運動中的物體將出現長度縮短現象
— 質量增大，即高速運動中的物體質量會出現有比例增加
— 質量和能量可以互相轉換，即質能方程：E=mc2（這是核武器的最基礎科學理論）
而此刻的愛因斯坦，已不滿足於之前的研究，因為他驚愕地發現，萬有引力似乎是無時無刻地瞬間存在的。
比如，按照萬有引力理論，假設太陽突然消失，地球將瞬間被拋出原軌道「飛出去」，就像鏈球運動員突然脫手，鏈球就飛出去了。而根據狹義相對論，這是不可能的——因為引力的傳遞必須遵循光速最大原理。也就是說，就算引力的傳播能達到光速，則地球起碼在前8分鐘是「安全的」。這個矛盾令他十分糾結。於是，1907年開始，他著手如何將牛頓經典力學中最重要的引力理論納入到新的相對論體系。8年後的11月25日，他的論文再度驚豔全世界，這就誕生了《廣義相對論》，本文開始時已將其用一句話進行了概括。
為什麼會驚到世界？因為《廣義相對論》直接告訴世人，萬有引力根本不存在，物體之間彼此吸引只是質量本身引發的不同程度的幾何效應——空間彎曲，或者叫「時空扭曲」更加合適。
如果用圖形來描述，則是筆者在「卿眼看世界13」裡最後一部分所述的
用立體幾何到高維幾何的延伸（如下圖）
《廣義相對論》的場方程與萬有引力公式比較如下
當然，這個複雜的（二階非線性偏微分）場方程並非愛因斯坦一人之功，還有他的貴人「格羅斯曼」及希爾伯特的巨大數學奉獻。其中，格羅斯曼也是推薦和輔導愛因斯坦學習黎曼幾何的好友（據說專利局的工作都是他介紹的），正是黎曼幾何中關於高維度的推導，讓愛因斯坦對引力的思考有了本質飛躍和對經典物理的徹底顛覆。附帶說明一下，在狹義到廣義之間的十年裡，不僅有愛因斯坦本人對物理學原理的思考，也有格羅斯曼、閔可夫斯基都一批數學家對愛因斯坦在數學上的幫助。由此可見，數學作為自然科學之母，和物理學尤其是理論物理學有著不可分割的學術關係。
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《廣義相對論》得到了哪些顛覆性的結論？
O 萬有引力不是真正的力，而是質量引發空間彎曲（時空扭曲）的表現
O 行星繞日運動本質上就是慣性運動（物理學界和天文學界曾否定的「伽利略錯覺」得到愛因斯坦平反）
O 地球上的自由落體運動也是慣性運動（第一個結論的推論）
哪些實驗證明了《廣義相對論》的正確性？
來看一下科學史上著名的「三大驗證」
Ø 引力紅移
相對地球而言，太陽表面大量存在的氫原子的光譜線振動頻率變慢波長變長，因此，其所有光譜線會向振動頻率偏慢的紅端移動，以此證實大質量物體上的時間因為受空間彎曲的幹擾比小質量物體上的時間走得慢（太陽質量是地球的三十多萬倍）。補充說明，氫原子光譜是最簡單的光譜，而原子本身是我們生活的物質世界的基本構成單位。
Ø 水星近日點進動誤差
1915年以前，通過牛頓運動定律得到的水星近日點的進動，與實際觀察值之間每一百年有43.11角秒（1角秒=1/3600度，是極其精密的弧度單位）的無法解釋的誤差，而廣義相對論則用場方程彌合了其中43.03角秒的差值，這是天文學界對廣義相對論的強有力證明。當然，我們看到，仍然有極其微弱的0.08角秒沒有得到彌合，雖然100年裡這個差值幾乎可以忽略，但天文學要求的高精度仍然給此事留下了些許陰霾，或者說，影響水星近日點進動的因素還有很多，例如太陽的扁率等，這一點還有待於進一步探究。
Ø 光線偏折（大質量物體可以使光線的行進線路產生偏折）
英國的愛丁頓爵士在一戰過後的1919年帶隊前往西非的普林西比藉助日全食過程在6分鐘內拍攝到了15張照片，經過和實際星空比對後得到結論：偏轉角度值非常接近於廣義相對論推算的結果。這一次科學合作也是增進英德兩國一戰後友誼的光輝之舉。
《廣義相對論》一定是真理嗎？
在被廣義相對論顛覆之前，牛頓經典力學就是真理。
顛覆之後就是錯的嗎？不是，只是在不同的參照系條件下。或者說，在我們生活的世界裡，牛頓力學完全正確。所以，今天的太空研究甚至發射人造衛星依然使用牛頓力學，可以做到完全精確。而如果用廣義相對論方程，反而捨近求遠了。
廣義相對論引發的對物質世界的探索目前還有至少以下問題沒有徹底解決
1. 與量子物理之間存在一定的矛盾
2. 人類已知四大基本力（強相互作用、弱相互作用、萬有引力、電磁相互作用）的本質中後三種至少目前還無法用一組方程來統一解釋
3. 物質的質量能引發時空扭曲，那麼質量本身是什麼？
4. 組成物質的基本單位原子，其內部還有更小的基本粒子，其屬性是什麼？（已建立「超弦理論」）
5. 黑洞和暗物質（能量）的預言尚未得到完全核實
6. 時間旅行到底可不可以？（狹義與廣義的局部悖論性）
總結
《廣義相對論》為人類進一步認識世界、探索太空和宇宙的奧秘提供了新的視野，由此引發的一切科幻至今越來越迷人，包括2014年轟動世界影壇的科幻巨作《星際穿越》（Interstellar）中關於超時空穿越、大體積黑洞卡岡圖雅、蟲洞等都是從愛因斯坦廣義相對論對宇宙學的新認識而引發。
《星際穿越》中科幻的超大黑洞卡岡圖雅的外觀（事件視界Event Horizon）
延伸閱讀
《狹義相對論》英語為Special Theory of Relativity，根據字面也可以理解為「特殊相對論」——因為其特殊的相對性原理。同時，荷蘭物理天才洛倫茲也對電磁理論和光物理的性質研究到了十分接近愛因斯坦理論的地步，為進行區分，洛倫茲建議以此命名。
《廣義相對論》英文則是General Theory of Relativity，「General」一詞本身有「通用」和「普遍」的意思，可理解為「通用相對論」，暗示了將一切通用物理學理論涵蓋的豪氣和自信。
當然，這一通用概念在愛因斯坦時代依舊留下了前文所述的一些遺憾。今天，以霍金(Hawking)、索恩(Thorne)、蘇士侃(Susskind)等物理學大家都在為尋求物理學的聖杯——大統一理論（Grand United Theories）而努力。又或者，像科幻片裡描繪的那樣，這個理論的最終結果就是一組方程式而已。（全文完）
有趣的思考
生活中，我們無時無刻不在經歷「看到過去」的體驗，例如，我們看到的太陽永遠是8.3分鐘之前的，月亮永遠是1.27秒之前的。請問，這是為什麼？
請同時注意收看2016年初的《愛因斯坦的世紀大逆襲》
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