很多人都知道，狹義相對論有兩個基礎(chǔ)，光速不變原理和狹義相對性原理。光速不變原理之前說了很多了，今天重點聊一聊狹義相對性原理。

這個原理說起來也很簡單，但要深入研究下去，其實也不簡單，愛因斯坦構(gòu)建廣義相對論的靈感正是源于對狹義相對論原理的深入思考。具體是怎么回事呢？

讓我們先從狹義相對論原理說起。

通俗理解這個原理就是：運動是相對的，必須有參照物才有意義。對于這一點，其實牛頓力學(xué)和狹義相對論都是認同的，沒有異議。

但這只是表面，當(dāng)我們進行深入思考之后，就會發(fā)現(xiàn)并不那么簡單，會發(fā)現(xiàn)牛頓力學(xué)似乎一下子就被打趴下了。下面就舉例來說明。

學(xué)生時代上物理課時，關(guān)于運動與靜止的描述，老師經(jīng)常會給我們舉這樣的例子。你和朋友駕駛一輛小汽車，我靜止在地面上。

在我眼里，也就是以我為參照物，會認為你在快速運動。而如果我以你為參照物，認為你是靜止的，那么我自己就在運動了。

同樣地，你以自己為參照物，也會認為我在運動。而如果你以我為參照物，當(dāng)然會認為你自己在運動。

這在牛頓力學(xué)體系中很好理解，畢竟只是參照物選擇不同造成的不同結(jié)果而已。

但是，如果你突然急剎車，當(dāng)然會感覺到明顯的減速，同時你自己的身體也會瞬間向前沖，還有前面有什么力在拉著你，當(dāng)然我們知道這就是慣性作用，那個拉著你的力就是假想中的“慣性力”。

這看起來并沒有什么，都是我們熟悉的節(jié)奏。但你有沒有想過這樣的問題：為什么是自以為靜止的你感受到這種力，而不是自以為運動的我感受到這種力呢？

這個問題看似有些無厘頭，但很多發(fā)現(xiàn)其實都是通過無厘頭的發(fā)問無意間發(fā)現(xiàn)的。而且，這個簡單的問題不僅牛頓力學(xué)解釋不了，狹義相對論也束手無策。

愛因斯坦當(dāng)然明白，狹義相對論一定有局限性，因為狹義相對論的基礎(chǔ)是“慣性系”，但現(xiàn)實匯中并不存在真正的慣性系，因為引力在現(xiàn)實中無處不在。如果突破打破這種局限性呢？愛因斯坦進行了深入思考。

在那個年代，麥克斯韋已經(jīng)完成了對電磁場的統(tǒng)一，明白了電力和磁力其實都是通過場來實現(xiàn)的，也就是說，場其實就是物質(zhì)作用的介質(zhì)，當(dāng)時的主流物理學(xué)界并不認為有“隔空取物”這種超距作用。

那么，按道理講，萬有引力也理應(yīng)如此。其實牛頓一開始并不這么認為，他認為引力是瞬時傳遞的，不需要任何時間。不過后來物理學(xué)界大佬發(fā)現(xiàn)了牛頓力學(xué)體系與電磁場理論出現(xiàn)了不協(xié)調(diào)，便假設(shè)了萬有引力也是需要介質(zhì)的，只是這種介質(zhì)不是場，而是以太。

也就是說，宇宙到處都充滿了以太這種物質(zhì)，以太就是引力傳播的介質(zhì)。萬物為什么會落到地面而不會往天上飛呢？就是因為地球?qū)θf物的吸引力通過以太傳給了萬物，萬物就不會飛到天上而會降落到地面上。

但在愛因斯坦看來，并不是這樣的。愛因斯坦也認同萬物確實受到了地球的引力，但引力并不是通過以太傳遞的，因為以太的概念已經(jīng)被實驗否定了。愛因斯坦一直對麥克斯韋的電磁理論情有獨鐘，明白了電磁力與引力一樣，并不是瞬時傳遞的，而是通過電磁場這種介質(zhì)來傳遞的。

那么，引力是否也是通過某種場來傳遞的呢？方便起見，把這種場定義為“引力場”。

如果引力場果真存在的話，它的基本屬性也應(yīng)該與電磁場一樣。一個電荷的受力大小是由其所處位置的電場強度決定，那么一個物體受到的引力大小也應(yīng)該由引力場強度決定的。用公式表達出來就是：引力等于質(zhì)量乘以引力場強度，這里的質(zhì)量指的是引力質(zhì)量。

說到引力質(zhì)量，很多人就會下意識地聯(lián)想到一個公式：F=ma，也就是牛頓第二定律，還有一個就是萬有引力定律公式。兩個公式中都有質(zhì)量，我們把第一個公式中的質(zhì)量稱為“慣性質(zhì)量”，而把萬有引力公式中的質(zhì)量稱為引力質(zhì)量。

為何F=ma中的質(zhì)量是慣性質(zhì)量？道理其實很簡單，同樣的力施加給不同的物體，表現(xiàn)出來的加速度并不一樣，原因就在于質(zhì)量大小不同帶來的慣性大小差異。結(jié)果就是，慣性越大，物體的加速度就越小。因此我們把F=ma公式中的質(zhì)量叫做慣性質(zhì)量。

而萬物除了有慣性之外，還有引力，所以萬有引力公式中的質(zhì)量叫做引力質(zhì)量，這種質(zhì)量表示的就是萬物之間吸引程度的度量。

不過，一般情況下，我們會默認慣性質(zhì)量就等于引力質(zhì)量，在高中物理課上都是如此。其實很多并不知道，在愛因斯坦的年代，沒有哪個物理學(xué)大佬敢斷言慣性質(zhì)量一定等于引力質(zhì)量。

話說回來，引力既然等于引力場強度乘以引力質(zhì)量，而通過公式F=ma我們又可以得出物體受到的力等于慣性質(zhì)量乘以加速度，那么兩個公式換算之后就是引力場強度乘以引力質(zhì)量等于慣性質(zhì)量乘以加速度。

也就是說，加速度等于引力質(zhì)量除以慣性質(zhì)量與引力場強度的乘積。

而在地球表面，重力加速度基本上是個常數(shù)，因此只有當(dāng)引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量的比值是個常數(shù)，物體在自由落體過程中的加速度才會只與引力場強度相關(guān)。

而地球表面的引力場強度幾乎不變，所有重力加速度也基本固定在9.8。

其實在愛因斯坦之前，已經(jīng)有科學(xué)家意識到了慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量存在著某種關(guān)系，并試圖計算出兩者之間的換算關(guān)系，得出了兩者是等價的這樣的結(jié)論。但由于這個結(jié)論只是實驗的結(jié)果，沒有理論上強有力的支持，所以在當(dāng)時并沒有引起重視。

而愛因斯坦經(jīng)過深入思考之后，大膽提出了“慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量等效”，也就是“等效原理”，同時把這個原理當(dāng)做一個基本公設(shè)，也就是公理，并以這個為公理撬開了廣義相對論的大門。

何為公理？說白了 就是假設(shè)！當(dāng)然不是拍腦門隨便臆想出來的假設(shè)，而是在大量客觀事實的基礎(chǔ)上，經(jīng)過深入思考提出來的假設(shè)。既然是公理，就不需要去證明，也無法最終證明，只需要通過實驗論證就可以了，不符合人們的日常生活經(jīng)驗也沒關(guān)系，畢竟人們的生活經(jīng)驗都是有局限性的。

看到這里，不要天真地認為：“等效原理”太簡單了，我也可以提出來??！

這種想法就是典型的馬后炮，以我們?nèi)缃竦难酃夂驼J知去衡量一百多年前的愛因斯坦時代？這也太不公平了。要知道，當(dāng)年的愛因斯坦幾乎完全憑借一人之力，提出了等效原理，而且還是思想實驗，根本沒有條件做實驗來證明。

也就是說，愛因斯坦就是憑借顛覆性的思維硬生生地想出來等效原理的，用大腦在做實驗。那么等效原理到底是如何推導(dǎo)出廣義相對論的呢？又是如何推導(dǎo)出時空彎曲的呢？

我們都知道，光線經(jīng)過大型天體附近時會發(fā)生彎曲，其實對于這種現(xiàn)象的解釋，牛頓和愛因斯坦是一致的，都是認為光線受到了引力作用。但是愛因斯坦對這個問題還有更深刻的認知，也因此讓他觸摸到了引力的本質(zhì)。

下面就一起放飛我們的思想，一起來做思想實驗。

你站在地面上，手里拿著一個蘋果，當(dāng)然能感受到蘋果的重量。你松開手，蘋果就會墜落，這是很自然的事情，在我們?nèi)粘Ｉ钪刑Ｒ娏?，我們也都?xí)以為常了。

現(xiàn)在，再想象另一種情況，你乘坐宇宙飛船，以9.8的加速度垂直地面向上飛行，而且你手里同樣拿著一個蘋果。這種情況下，會有什么感受呢？

你當(dāng)然會感受到一種加速度，這種加速度是飛船底部的支撐力造成的，而蘋果也會有加速度，是你手掌的力產(chǎn)生的。而如果你再次松開手，會看到蘋果也會墜落，同樣是自由落體往下墜落。

原因很簡單，沒有了手的支撐力，蘋果就會做慣性運動，而飛船仍舊以9.8的加速度飛行，結(jié)果就是飛船底部以這個加速度碰到蘋果。反過來講就是，蘋果以9.8的加速度落到飛船底部。

這種思想實驗很好理解。更深層的思考是這樣的，如果你身處一個完全密閉的箱子里，箱子以9.8的加速度垂直向上飛行，無論如何你都不可能知道這個密閉的箱子到底是一直在加速飛行，還是靜靜地待在地面上！

因為兩者是等效的，你在密閉箱子里的感受與靜止待在地面上的感受完全相同！

上面的思想實驗并不難理解，只是很難有機會親身體會一下。其實說來也不難，塔吊大家應(yīng)該都見過，在塔吊去吊集裝箱的時候，如果你就在集裝箱里，塔吊把集裝箱吊起來之后，你在集裝箱里的感受與在地面的感受并不會有任何不同。

因此，我們也可以這樣理解，我們受到的地球引力，其實可以通過加速度表現(xiàn)出來。所以，如果把地球拿走，只要給我們施加一個同樣的重力加速度，我們就會有站在地面上一樣的感受。

說來說去，還是那句話：慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量等效。

慢著，如果你認為到這里就結(jié)束了，就太小看愛因斯坦了，接下來還有大招。

讓我們繼續(xù)思想實驗，不過這次的思想實驗不再用蘋果，而是把蘋果換成手電筒，手電筒可以發(fā)出光，而愛因斯坦一直以來對于光都是非常癡迷的。

同樣，你在一個密閉的箱子里，就假設(shè)是集裝箱吧。集裝箱以9.8的加速度垂直向上飛行，你打開手電筒垂直照射到集裝箱側(cè)壁上，會看到手電筒發(fā)出的光沿著水平方向射向集裝箱的墻壁上。

那么對于地球上的我來講，會看到怎樣的情形呢？

答案并不難。由于集裝箱以9.8的加速度飛行，而根據(jù)光速不變原理，光速是恒定的，而集裝箱是勻加速運動，所以我會看到光線向加速度的反方向飛去，結(jié)果就是一個平拋的路線，光線是彎曲的，而不是水平的。

而之前也一再強調(diào)，以9.8的加速度垂直飛行，就相當(dāng)于靜止在地面上不動。那么集裝箱在太空以9.8 的加速度飛行的效果就相當(dāng)于把集裝箱放在地面上靜止不動。既然兩者是等效的，也就意味著，我們看到靜止在地面上的集裝箱里發(fā)出的光同樣是彎曲的。

當(dāng)然，我們?nèi)庋劭隙ǚ直娌怀鰜?，因為地球質(zhì)量太小，對光線的彎曲程度也很小。

但還有一個問題：為什么光線彎曲就意味著時空彎曲呢？

要理解這個問題，一定要記住“光速不變原理”，光速是絕對的，不管任何觀察者，也不管任何運動方式，光速都是不變的。

剛才我們已經(jīng)說了，對于同樣一束光線，不同狀態(tài)下的你和我看到的結(jié)果卻是不一樣的。集裝箱里的你會看到平直的光，而我看到了彎曲的光。

這就意味著，對于我來講，光線到達集裝箱側(cè)壁的距離要更長，但是光速是不變的，時間等于距離除以速度，所以，在我眼里，光線到達側(cè)壁所需時間更長。

也就是說，對于同一個事件，你和我對時間的感受是完全不一樣的。

這也就意味著，假設(shè)沒有加速度作用，時空本來應(yīng)該是平直的，但加速度運動就會讓平直的時空發(fā)生改變，成為相對時空，也就是彎曲的時空。

而根據(jù)等效原理，加速度與引力是等效的，因此愛因斯坦大膽提出引力其實就是時空彎曲，是時空彎曲的表象，時空彎曲才是本質(zhì)。

通俗來講，引力其實是不存在的。憑借這點，愛因斯坦成功把狹義相對論中的“慣性系”擴展到所有的“參照系”，因為在局域參照系里，可以通過等效原理把引力消除掉，沒有了引力的限制，宇宙中所有的參照系幾乎都是“慣性系”。

以上就是愛因斯坦通過等效原理提出廣義相對論的過程，當(dāng)然洋洋灑灑幾千字并不能準確表達愛因斯坦的構(gòu)思過程。如果沒有豐富的基本物理學(xué)知識儲備，即便再天才的大腦，也不可能觸發(fā)“等效原理”這個偉大的構(gòu)想。

雖然，愛因斯坦的廣義相對論推翻了牛頓的絕對時空觀，但不可否認的是，愛因斯坦也是經(jīng)過對牛頓經(jīng)典力學(xué)深入思考之后，才有了后來的靈感，從這點來講，愛因斯坦也是站在了牛頓這個巨人的肩膀上提出來的廣義相對論。

最后再說一點，其實愛因斯坦早在1911年就提出了等效原理，把引力引入到相對性原理中，但直到4年后的1915年才最終提出了廣義相對論。這是因為時空彎曲理論并不像我們想象的那么簡單，想要把時空彎曲量化，就需要準確描述時空彎曲的曲率，這就需要豐富的數(shù)學(xué)知識。

畢竟愛因斯坦雖然牛逼，但也不是無所不能，他本人并不是數(shù)學(xué)家，最終也是在數(shù)學(xué)家希爾伯特的幫助下，利用當(dāng)時最前沿的張量分析，才推導(dǎo)出了偉大的引力場方程！

由此可見，任何偉大理論的創(chuàng)建都不是一朝一夕能完成的，不僅需要豐富的物理學(xué)知識沉淀，也需要好奇心和勇于探索的決心。其實很多科學(xué)發(fā)現(xiàn)的靈感都源于我們?nèi)粘Ｉ?，為什么牛頓愛因斯坦等人能捕捉到這種靈感呢？

就是因為他們沒有被我們的日常生活經(jīng)驗所束縛，而大部分人早就日復(fù)一日的生活中麻木了，對日常生活中的常見現(xiàn)象會下意識地忽略掉，比如說太陽的東升西落，還有萬物總是會落向地面而不是飛向太空，大部分人根本不會去問為什么。

如今我們當(dāng)然知道萬物為何總是會下落，但如果在一千多年前的古代時期，你去問古人“蘋果為什么會落地而不會向上飛？”，古人肯定會認為你是瘋子，甚至?xí)涯闼偷蒋側(cè)嗽豪铮?/p>

所以，不管什么時候，永葆好奇心，不要理所當(dāng)然地認為某種自然現(xiàn)象就應(yīng)該如此。尤其是對待孩子看似無厘頭的問題，要鼓勵他們提問而不要因為自己不會而失去耐心，甚至直接打壓孩子的問題，否則長期以往，孩子的好奇心和探索欲望會被一點點磨滅消失。

完！