一口氣看懂：廣義相對論，時(shí)空彎曲，等效原理，黑洞時(shí)間變慢

今天我們系統(tǒng)講一下廣義相對論，從最基本的原理出發(fā)，徹底幫助你理解為什么時(shí)空是彎曲的。

引力是宇宙中最基本的現(xiàn)象，任何兩個(gè)物體之間都會產(chǎn)生吸引力。

不管是蘋果落地還是月球繞地球旋轉(zhuǎn)，地球繞太陽旋轉(zhuǎn)，引力都會迫使物體之間靠的更近。

可能很多人會認(rèn)為，引力由物體的質(zhì)量決定，物體的質(zhì)量越大，吸引力就越大。

在牛頓理論中，你當(dāng)然可以這樣理解，因?yàn)榕ｎD力學(xué)可以很好地計(jì)算蘋果落地的時(shí)間，行星繞太陽公轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)。

但是事實(shí)上，引力并不是真正意義上的力。

舉個(gè)例子，假設(shè)現(xiàn)在有一顆衛(wèi)星要落向地面，如果引力是一種力的話，那么衛(wèi)星就應(yīng)該落向地球的中心，但是真實(shí)的情況確是：當(dāng)衛(wèi)星落向地面時(shí)，它的運(yùn)動軌跡會隨著地球的自轉(zhuǎn)方向發(fā)生偏差。

還有一個(gè)例子，水星繞太陽的軌道會隨著時(shí)間的推移以一定的速度改變方向。

如果引力是一種力的話，那么我們就能夠極其精確地預(yù)測這種運(yùn)動軌道的偏差。

但是牛頓的引力定律并不能很好地計(jì)算類似水星軌道偏差的現(xiàn)象。

所以我們就可以懷疑，引力就不是一種靠質(zhì)量相互吸引的力，而是時(shí)空彎曲造成的假象。

廣義相對論的最基礎(chǔ)的思想來源就是等效原理。

現(xiàn)在想象一個(gè)宇宙空間，周圍十幾光年都沒有任何星系，所以我們可以把其他星系的“引力”干擾忽略掉。

此時(shí)你在一個(gè)密閉的箱子里，你手里拿著一個(gè)小球。此時(shí)此刻你處于失重狀態(tài)，如果你把手中的小球釋放，會看到小球漂浮在原地。

然后箱子底部有個(gè)推進(jìn)器點(diǎn)火了，整個(gè)箱子以恒定加速度a “向上”運(yùn)動。這時(shí)候你會感受到箱底有一股力拉著你向下運(yùn)動，小球也會以恒定加速度a向箱子底部下落。

如果這個(gè)恒定加速度的數(shù)值是9.81m/s2，那么你在密閉箱子里就會感受到和地球表面一樣的效果。

你會感受到箱子底部在拉你，這種“拉力”的大小和地球表面是一樣的。你還可以看到小球向箱子底部下落的加速度和地面也是一樣的。所以你是無法區(qū)分自己到底是靜止站在地面上，還是在宇宙空間中以9.81m/s2的加速度運(yùn)動。

在箱子中的你，可能會認(rèn)為自己是靜止站在地面上的，所以受到了來自地球的“引力”。

但是在箱子外的觀察者看來，你其實(shí)和小球都沒有動，箱子也沒有在地球上，更不會受到來自地球的引力，只是箱子底部以恒定的加速度“向上”運(yùn)動撞到你和小球了。

現(xiàn)在我們關(guān)閉箱子底部的引擎，你這時(shí)候又處于失重狀態(tài)了！

這時(shí)候你拿了一個(gè)手電筒，當(dāng)你打開手電筒，這時(shí)候引擎又啟動了，你一開始將光線照向箱子右側(cè)的中心點(diǎn)。

但是由于箱子底部向上有個(gè)加速度，你最后看到光線會落在箱子右側(cè)中心點(diǎn)的下方。所以你看到的光線是彎曲的。

同時(shí)，箱子外也有一個(gè)人觀察你的行為，在箱子外的人看來，光線并沒有彎曲，而是箱子底部以恒定加速度靠近光線。

那么到底是箱子里的人是正確的，還是箱子外的人看到的一切是正確的。

廣義相對論認(rèn)為，箱子里的人和箱子外的人都是正確的。

由于箱子引擎的推動，箱子里的人會認(rèn)為自己站在地球表面上。而箱子外的人會認(rèn)為箱子里的人是受到了底部加速度的愚弄，所以才誤以為受到了地球的引力。

這樣回頭一看，我們是無法區(qū)分物體自由下落的行為是引力造成的，還是加速度的造成的。所以引力可以等效成加速度。

質(zhì)量越大的星球引力等效成的加速度數(shù)值就越大。

接下來，我會好好分析一下，為什么光線彎曲會造成時(shí)間變慢的事實(shí)。

剛才我們講了，在宇宙深空中，以恒定加速度運(yùn)動的箱子里的人，看到的光線是彎曲的

而箱子外的人看到箱內(nèi)的光線卻是平直的。

對同一個(gè)光線的觀察，箱內(nèi)的人和箱外人會得出不同的結(jié)果。很明顯，箱子里的人觀察到的光線彎曲了，光線的路徑也就變長了。

根據(jù)光速不變原理，箱內(nèi)的人和箱外測量的光速反正都是一樣的。而箱內(nèi)人卻明顯感受到光線變長了。我們知道時(shí)間等于光經(jīng)過的路徑除以光速，由于光速不變，而箱內(nèi)的光線路徑變長了，所以箱內(nèi)的時(shí)間就變長了。

所以箱內(nèi)的時(shí)間相對于箱外就變慢了。

前面說過，星球的質(zhì)量越大，等效的加速度就越大。

黑洞的質(zhì)量很大，所以等效的加速度就更大，加速度越大，箱內(nèi)的光線彎曲程度就更大，所以光線經(jīng)過的路徑就更長，所以時(shí)間相對于參考系外就更慢。

這就是天體的質(zhì)量越大，其周圍的時(shí)間越慢的緣故。

一顆蘋果在宇宙空間本來是沿直線勻速運(yùn)動的，當(dāng)它運(yùn)動到地球的周圍時(shí)，就受到了地球的引力，這時(shí)候我們可以把地球的引力等效成蘋果受到的加速度，由于加速度的存在，蘋果原本勻速直線的運(yùn)動變成了曲線的了。你也可以認(rèn)為蘋果受到加速度后依舊按照原來的路徑運(yùn)動，但是地球卻把周圍的時(shí)空彎曲了，所以蘋果不得不在彎曲的時(shí)空中運(yùn)動，就顯得是曲線運(yùn)動。

為了統(tǒng)一計(jì)算，廣義相對論一般不再區(qū)分引力和加速度等效的問題了，而是直接說：有質(zhì)量的物體會彎曲周圍的時(shí)空，其實(shí)也就等效于加速度帶來的曲線運(yùn)動。

質(zhì)量越大的天體，其等效成的加速度越大，所以周圍的物體軌跡越彎曲，路徑延長越大，時(shí)間也就越慢。

但是這樣說很麻煩，還不如直接說質(zhì)量越大的天體，周圍的空間和時(shí)間越彎曲。空間和時(shí)間越彎曲就相當(dāng)于說路徑越長，時(shí)間越長(慢)。

空間和空間可以簡稱為時(shí)空。所以就成了我們經(jīng)常聽到的那句，天體質(zhì)量越大，時(shí)空越彎曲，時(shí)間越慢。而宇宙中質(zhì)量最大的天體的宿命必然會變成黑洞，所以我們經(jīng)常會說，黑洞視界外的時(shí)間流逝很慢。

其實(shí)任何質(zhì)量大的天體，周圍時(shí)間相對于地球流逝都很慢，但是星體的質(zhì)量一旦突破史瓦西極限就必然變成黑洞，所以黑洞如今也是時(shí)間變慢的代言詞了！