玻爾·薩特是俄亥俄州立大學的天體物理學家和COSI科學中心的首席科學家。薩特也是“問一個太空人”和“太空電臺”的主持人，並帶領太空旅行環遊世界。

阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論是人類創造力、創造力和毅力的不朽成就——至少可以說是如此。

有人可能會合理地認為，在20世紀早期，地球上有幾個人像愛因斯坦一樣聰明，但沒有人能像他那樣思考。在他7年的探索新引力理論的旅程中，他的直覺發生了驚人的跳躍——在他計算出這些新想法的後果的過程中，中間穿插著一些意味深長的停頓。所有這些努力的結果就是我們對重力的現代理解，在愛因斯坦之後的一個世紀裡沒有改變。

讓我們一窺真正的重力大師的內心。

自由,自由下落

愛因斯坦對萬有引力本質的第一個認識是對一箇舊觀念進行了新的轉變。在牛頓最初對重力的數學描述中，當涉及到“質量”的概念時，有一個奇怪的巧合。在一個著名的方程F = ma中，質量是你的慣量（推你前進需要多大的動力）。在牛頓關於引力的另一個等式中，質量更像是萬有引力（例如，你對地球的吸引力程度）。

因此，很多人直觀的認為，質量是兩倍的物體對地球的引力也應該是兩倍，因此下落速度應該是兩倍。但多年前，伽利略•伽利雷(Galileo Galilei)得出了結論：不管質量如何，忽略空氣阻力，所有物體都會以同樣的速度下落。

因此，對於牛頓的理論來說，慣性質量必須與重力質量相同，但這完全是巧合：沒有理由認為這個等式成立。對於一個質量是它的兩倍的物體，地球對它的拉力可能是它的兩倍，但這完全被抵消了，因為物體運動的難度是它的兩倍。慣性質量和重力質量以完美的步調運動。

這種奇怪的對應關係一直是引力圈裡的一個謎，但1907年，愛因斯坦更進一步。物理學家想象如果你從高處掉下來會發生什麼。再次忽略空氣阻力，你的慣性和引力質量會抵消，使你感覺完全沒有重量，就好像根本沒有重力。但零重力環境恰恰是狹義相對論的遊樂場，他在幾年前就提出了這個理論，將我們對時空的概念編織成時空的統一結構。

對愛因斯坦來說，這是一條重要的線索。隱藏在重力陰影下的是他珍貴的狹義相對論和時空的基本概念，使這一認識成為可能的是將慣性質量和重力質量之間的等價性提升為一個基本原則，而不是令人尷尬的事後回想。

向上，向上，離開

然後，愛因斯坦又更進一步。假設在半夜，我們悄悄把你的臥室放進一個火箭裡面，發射飛船送入太空(攜帶者你沉重的床鋪)，引擎轟鳴著把它送到天上，它同樣提供了1 g的加速度，這個加速度會就會讓你仍然感覺在地上。

讓我們進一步假設火箭是完全安靜的，所以你不會馬上知道你在那艘宇宙飛船上。除非你往外看，並注意到只有一塊令人擔憂的薄玻璃將你與空間的真空分隔開來，否則你不會知道你是某種怪誕科學實驗的一部分。

扔一個蘋果——它掉到地上。滴一罐牛奶——它以同樣的速度掉到地上。從宇宙飛船外，很容易就能看出原因：蘋果和牛奶並沒有真正移動，但火箭正在加速前進，“遇到”掉下的東西。如果我們把地板全部挪開，當火箭呼嘯而過時，蘋果和牛奶就會留在原地。

但在火箭內部，你只會認為這是正常的重力：物體在下降，就像它們習慣做的那樣，而且速度都是一樣的。

其含義是清楚的(至少，愛因斯坦是清楚的)：重力導致加速度，而加速度導致重力。

他們是完全相同的。

我們繞來繞去

愛因斯坦必須再做一個大的飛躍才能把我們帶到現代的重力世界。這是一個巨大的飛躍，他花了5年的時間對重力=加速度的含義進行修修補補，然後才開始下一個跳躍。要做到這一點，你幾乎可以說，他必須在圈子裡思考。

想象一下一個特別設計的旋轉木馬，所有的馬都排成一排，鼻子對著尾巴，在四周形成一個完美的圓圈。現在，加速行駛，使它以接近光速的速度旋轉。會發生什麼呢?

讓我們假設，首先，這段旅程可以保持在一起。當馬從你眼前經過時，它們顯得更短了。為什麼?在這種速度下，愛因斯坦的狹義相對論告訴我們，運動的物體沿著運動方向收縮。

這意味著馬不再是完美的鼻對尾；你可以把更多的座位擠在旋轉的車上，而不是固定的。但是總的寬度沒有改變；整個騎乘過程並不會影響你的視野，所以你不會看到任何相對論意義上的長度收縮對整個結構的有趣影響，只會在馬經過的時候。這個組合意味著我們熟悉的直徑和周長的關係(C = pi * d)不再適用於旋轉運動。

描述這一關係的幾何結構並不是我們在高中學到的普通的歐幾里得的東西。它是非歐幾里得的，或者說曲線空間的幾何。

最終結論

這就是愛因斯坦在1912年的謎題：a)時空一定有某種關係，b)加速度和重力緊密相連，c)一些加速度需要用曲面來描述。

一百年後的今天，簡單地說，“引力是時空的彎曲”，這對我們來說很容易，但愛因斯坦又花了兩年的時間，讓所有的數學模型都符合，並給出了我們所知的廣義相對論。

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