爱因斯坦曾表示,没有他,估计很多人都能做出狭义相对论。但没有他,广义相对论的诞生也许要晚很多年。广义相对论的发明几乎可以说是无中生有,是靠爱因斯坦的天才创造。
简单来说,广义相对论的核心叫“等效原理”,说的是加速度和引力是一回事。不妨想象一下,你在太空中飘浮着,处于完全失重状态,其实跟你在地球引力场中做自由落体的状态是一模一样的。再换一个情况,你站在地面上感受到自己的体重,和你在太空里坐在一艘正以地球重力加速度大小加速的宇宙飞船中,感受也是完全一样的。也就是你完全无法区分,你到底是在一个加速运动的宇宙飞船里,还是处在一个引力场里面。
等效原理说的是,在加速的参考系里发生的事情,和在引力场里发生的事情是一模一样的,你做任何物理实验都无法区分你具体处在哪个环境,这是广义相对论的基本原理。有了这个原理,就能推导出广义相对论。比如,你在一台正在加速上升的电梯里面,旁边照射进来一束光,由于你在加速向上运动,在你看来光会向下弯曲,走一条抛物线。根据等效原理,加速上升的电梯,等效于你置身引力场中,如果是在一个引力场中,光线也会弯曲走曲线。但关键是,光并没有觉得自己在走曲线。这里的解释是时空被引力场弯曲了,所以广义相对论的核心结论是,引力不是一个力,它不过是时空的扭曲而已。
再来看一个例子:宇航员在太空的空间站,虽然他的运动是绕着地球做圆周运动,但他自己却是处于失重状态,他的感受是自己没有受到外力的作用。但他的运动路径确实是个圆,是一条曲线。这就只能解释为时空被扭曲了,你以为自己在走直线,但你只是在走一条被引力场弯曲了的直线。
有了时空扭曲的概念以后,爱因斯坦推导出了爱因斯坦方程:
这个方程相对复杂,其中R表示的是时空的曲率,也就是时空的弯曲程度,它和光速、万有引力常数,以及天体的质量有关。
爱因斯坦方程把质量、万有引力、时空扭曲以及光速等基本物理量联系在了一起。爱因斯坦方程预言了很多物理现象。例如,黑洞就是爱因斯坦方程预言的,预言中甚至包括引力波和虫洞,以及黑洞的反面“白洞”。其中黑洞和引力波已经被天文观测证实存在;虫洞和白洞,科学家还在探索中。广义相对论是宏观尺度的理论,修正了牛顿的万有引力定律,是对天体物理的统合性贡献,也是宇宙学的研究起点。