相對論 通俗詳解全

相對論通俗詳解1牛頓明發(fā)現(xiàn)了萬有引力。牛頓試圖解釋物體下落和行星運(yùn)轉(zhuǎn)的原因。他假設(shè)在萬物之間存在一種相互吸引的“力量”，他稱之為“引力”。那么這個(gè)力是如何牽引兩個(gè)相距甚遠(yuǎn)，中間又空無一物的物體的呢？這位偉大的現(xiàn)代科學(xué)之父對此顯得謹(jǐn)慎小心，未敢大膽提出假設(shè)。2牛頓想象物體是在空間中運(yùn)動(dòng)的，他認(rèn)為空間是一個(gè)巨大的空容器，一個(gè)能裝下宇宙的大盒子，也是一個(gè)碩大無朋的框架，所有物體都在其中做直線運(yùn)動(dòng)，直到有一個(gè)力使它們的軌道發(fā)生彎曲。那么這個(gè)空間是由什么構(gòu)成的？或者說這個(gè)可以容納世界的容器是由什么做成的？牛頓也沒有給出答案。3牛頓力學(xué)的世界十分簡單在這個(gè)世界中只有空間、時(shí)間、粒子4這個(gè)世界有著廣闊均勻的空間粒子在其中永不停息地運(yùn)動(dòng)彼此之間相互作用除此之外別無他物5牛頓用數(shù)學(xué)來表達(dá)這個(gè)世界這個(gè)世界是個(gè)數(shù)學(xué)化的世界6除了萬有引力以外的另一種力就是電磁力。是這種力使物質(zhì)聚集在一起形成固體是這種力使分子中的原子結(jié)合在一起使原子中的電子結(jié)合使化學(xué)物質(zhì)和生命體可以運(yùn)轉(zhuǎn)7是這種力使我們大腦中的神經(jīng)元運(yùn)轉(zhuǎn)主宰我們接收外界信息的過程以及我們的思維方式是這種力創(chuàng)造了阻礙滑動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的摩擦力給跳傘運(yùn)動(dòng)員落地時(shí)以緩沖是這種力制造了電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)使我們可以打開電燈聽收音機(jī)8理解電磁力的工作由兩位英國人完的法拉第與麥克斯韋9在18世紀(jì)初期人們關(guān)于電和磁已知的只有一些小把戲比如吸引紙屑的玻璃棒10相互排斥與吸引的磁鐵11到了19世紀(jì)法拉第在倫敦一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里工作研究電磁物體的吸引與排斥作為牛頓學(xué)說的信奉者他嘗試?yán)斫鈳щ娢矬w和磁體的相互作用但漸漸地通過與這些東西的密切接觸指引他獲得了一種直覺他“看見”了一些全新的東西12他的直覺是這樣的我們不應(yīng)該像牛頓假設(shè)的那樣認(rèn)為物體之間是直接相互作用的我們應(yīng)該認(rèn)為存在某種電磁體激發(fā)的實(shí)體布滿空間并且作用在物體上推或拉法拉第憑直覺知道的這種實(shí)體今天我們稱之為“場”13那么場到底是什么呢法拉第把它看作很多束非常細(xì)無窮細(xì)的線充滿空間就像是巨大的隱形蜘蛛網(wǎng)填滿我們周圍的一切他把這些線稱作“力線”因?yàn)閺哪硞€(gè)角度來說這些線“承載了力”它們把電磁力從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體就像伸縮的電線一樣場線充滿空間兩個(gè)帶電物體通過它們相互作用兩個(gè)物體的力通過場的力線“傳遞”14帶電物體比如摩擦過的玻璃棒會(huì)使它周圍的電磁場線彎曲這些場反過來會(huì)對其中的帶電物體產(chǎn)生力的作用兩個(gè)帶電物體不會(huì)直接互相吸引或排斥而要經(jīng)由它們之間的媒介15如果你用手拿兩塊磁鐵反復(fù)地把它們放在一起又拉開感受其斥力與引力“感受”到磁鐵之間的場對其的作用就不難理解法拉第的直覺了16與牛頓提出的遙遠(yuǎn)物體之間的力的概念相比這是個(gè)截然不同的觀念但會(huì)讓牛頓也很感興趣牛頓對于他本人所引入的超距作用也感到困惑地球是如何吸引如此遙遠(yuǎn)的月球的呢太陽是如何不與地球接觸就有引力的呢17無生命無意識(shí)的物質(zhì)可以在沒有其他非物質(zhì)因素介入的情況下對其他物質(zhì)起作用在沒有互相接觸的情況下產(chǎn)生影響這實(shí)在是不可思議18引力是物質(zhì)內(nèi)在固有必不可少的因此一個(gè)物體可以穿越真空對遠(yuǎn)處的另一物體產(chǎn)生影響在沒有任何媒介的情況下其作用和力可以從一個(gè)物體傳到另一物體這一點(diǎn)對我來說十分荒謬引力一定是由某一媒介根據(jù)特定法則持續(xù)產(chǎn)生作用的這種媒介是物質(zhì)還是非物質(zhì)19牛頓認(rèn)為他的杰作十分荒謬而后世卻將其盛贊為科學(xué)的終極成就他意識(shí)到在其理論背后一定存在某種別的東西但他不知道那會(huì)是什么20法拉第找到了解答問題的關(guān)鍵以合理的方式解釋了不相鄰物體間是如何吸引與排斥的愛因斯坦之后將會(huì)把法拉第的絕妙辦法應(yīng)用到牛頓的引力理論中21法拉第引入新的實(shí)體——場世界不再只由在空間中隨時(shí)間流逝而運(yùn)動(dòng)的粒子組成一名新演員——場——登上了舞臺(tái)22磁場是指傳遞實(shí)物間磁力作用的場磁場是一種看不見、摸不著的特殊的場磁場不是由原子或分子組成的但磁場是客觀存在的磁力線是描繪磁場分布的一些曲線23這些力線是否真實(shí)存在法拉第認(rèn)為它們真的存在24麥克斯韋立刻意識(shí)到這個(gè)觀念如金子一般可貴他把法拉第僅用寥寥數(shù)語解釋的洞見轉(zhuǎn)述成了一整頁方程這些方程現(xiàn)在被稱為麥克斯韋方程組它們描述了電磁場的特征是法拉第力線的數(shù)學(xué)表達(dá)25世界由什么構(gòu)成？牛頓的世界是：隨著時(shí)間流逝粒子在空間中運(yùn)動(dòng)法拉第和麥克斯韋的世界則是：隨著時(shí)間流逝粒子和場在空間中運(yùn)動(dòng)26今天麥克斯韋方程組每天都被用來描述電磁現(xiàn)象設(shè)計(jì)天線、收音機(jī)、電動(dòng)機(jī)與電腦27但這還不夠這些方程還需要解釋原子如何運(yùn)動(dòng)它們被電磁力結(jié)合在一起形成石頭的物質(zhì)微粒為何會(huì)黏合在一起太陽如何活動(dòng)它們可以描述各種各樣的現(xiàn)象28我們所見的幾乎一切除了引力以外都可以用麥克斯韋方程組很好地進(jìn)行描述29麥克斯韋意識(shí)到他的方程預(yù)言法拉第的力線可以振動(dòng)起伏就像海浪一樣30他計(jì)算了法拉第力線波動(dòng)的傳播速度結(jié)果竟然與光速相同為什么呢？麥克斯韋領(lǐng)悟到因?yàn)楣庵徊贿^是法拉第力線的飛速振動(dòng)法拉第和麥克斯韋不僅解決了電與磁如何運(yùn)動(dòng)的問題與此同時(shí)作為一個(gè)副產(chǎn)品他們也指出了光是什么31我們看到的世界是多彩的那么顏色是什么呢顏色是光作為電磁波的頻率振動(dòng)的速率如果波振動(dòng)得更快顏色就會(huì)偏向藍(lán)色如果振動(dòng)得慢一些就會(huì)偏向紅色我們感知的顏色是由視覺神經(jīng)產(chǎn)生的它可以辨別不同頻率的電磁波32光只不過是網(wǎng)狀的法拉第力線的快速振動(dòng)就像風(fēng)吹過湖面時(shí)的波紋我們并非“無法看到”法拉第力線我們是只能看到振動(dòng)的法拉第力線“看見”就是感知到光33光是法拉第力線的運(yùn)動(dòng)如果沒有東西傳輸它們的話任何物體都不會(huì)從空間中的某一位置移動(dòng)到另一位置34我們之所以能看到沙灘上玩耍的孩子是因?yàn)樵诤⒆优c我們之間存在振動(dòng)著的力線把孩子的影像傳遞給我們這樣的世界難道不神奇嗎35麥克斯韋認(rèn)識(shí)到他的方程組預(yù)言法拉第力線也能夠以更低的頻率振動(dòng)即比光慢得多的頻率因此必然存在著由帶電物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沒有人能夠看到的其他波動(dòng)也會(huì)使其他帶電物體運(yùn)動(dòng)36使一個(gè)帶電物體振動(dòng)必然可以激發(fā)電磁波進(jìn)而產(chǎn)生電流僅僅幾年過后由麥克斯韋從理論上預(yù)測的這些波就被德國物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)又過了幾年馬可尼制造出了第一臺(tái)收音機(jī)37全部的現(xiàn)代通信技術(shù)收音機(jī)、電視、電話、電腦、衛(wèi)星、Wi-Fi、網(wǎng)絡(luò)等都是麥克斯韋預(yù)言的應(yīng)用麥克斯韋方程組是電信工程師進(jìn)行一切計(jì)算的基礎(chǔ)38我們現(xiàn)今的全部技術(shù)都基于電磁波這一物理實(shí)體的應(yīng)用它并非通過實(shí)驗(yàn)被發(fā)現(xiàn)而是來自麥克斯韋的預(yù)言并且起初僅僅是為了尋找一種數(shù)學(xué)描述來解釋法拉第從線圈和小磁針那里得到的靈感這就是理論物理學(xué)的巨大威力39牛頓與麥克斯韋的理論看起來以一種微妙的方式相互矛盾麥克斯韋方程組給定了一個(gè)恒定速度——光速光速相對于任何運(yùn)動(dòng)物體都是不會(huì)變的光的速度是恒定不變的但牛頓力學(xué)與存在恒定速度不相容因?yàn)榕ｎD方程里包含的是加速度而非速度在牛頓物理學(xué)中：速度只能是一個(gè)物體相對于另一物體而言的40伽利略強(qiáng)調(diào)說地球相對于太陽是在運(yùn)動(dòng)的即便我們感知不到這個(gè)運(yùn)動(dòng)因?yàn)槲覀兺ǔＫf的“速度”是物體“相對于地球”的速度我們說速度是個(gè)相對性的概念意思是說談?wù)撘粋€(gè)物體本身的速度是沒有意義的唯一存在的速度是一個(gè)物體相對于另一物體的速度這就是19世紀(jì)和今天的學(xué)生學(xué)到的物理學(xué)但若果真如此麥克斯韋方程組里給定的光速是相對于哪個(gè)物體而言的呢？41一種可能是存在一種統(tǒng)一的實(shí)體以太光速是光相對于這種實(shí)體以太的速度但麥克斯韋的理論預(yù)言似乎與這種實(shí)體沒有任何關(guān)系20世紀(jì)末試圖測量地球相對于這種假想實(shí)體的速度的實(shí)驗(yàn)都宣告失敗說明以太這種實(shí)體不存在42愛因斯坦曾說任何實(shí)驗(yàn)都沒有真正對他有所幫助只有通過思考麥克斯韋方程組與牛頓力學(xué)之間的顯著矛盾他才找到了正確的方向他問自己能否找到一種方式讓牛頓和伽利略的核心發(fā)現(xiàn)與麥克斯韋的理論相一致43愛因斯坦由此達(dá)到了一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)為了理解他的發(fā)現(xiàn)請將所有過去、現(xiàn)在與未來的事件相對于你正在閱讀的這一時(shí)刻想象為如下圖那樣排列愛因斯坦之前的空間和時(shí)間44愛因斯坦的發(fā)現(xiàn)是說上面這個(gè)圖表是錯(cuò)誤的實(shí)際上事實(shí)應(yīng)該按照下圖那樣的方式來描繪對每個(gè)觀察者而言“延展的現(xiàn)在”都是過去與未來的中間區(qū)域45在一個(gè)事件的過去與未來之間例如你正在閱讀的此時(shí)此刻與你的過去與未來之間存在一個(gè)“中間區(qū)域”一個(gè)“延展的現(xiàn)在”一個(gè)既非過去亦非未來的區(qū)域這就是狹義相對論的發(fā)現(xiàn)46這個(gè)既不在過去也不在未來的中間區(qū)域時(shí)間非常短取決于相對你而言事件發(fā)生的位置就像上圖中畫的那樣事件離你的距離越遠(yuǎn)延展的現(xiàn)在持續(xù)的時(shí)間就越長47在離你鼻子幾米遠(yuǎn)的地方于你而言既非過去也非未來的中間區(qū)域持續(xù)的時(shí)間只有幾納秒約等于零幾納秒之于一秒相當(dāng)于幾秒之于三十年這比我們能夠覺察到的時(shí)間要短得多48在大海的另一端這個(gè)中間區(qū)域的持續(xù)時(shí)間是千分之一秒仍然遠(yuǎn)低于我們可以感知到的時(shí)間的臨界值我們通過感官能感知的最短時(shí)間大約是十分之一秒49但到了月亮上延展的現(xiàn)在的持續(xù)時(shí)間會(huì)達(dá)到幾秒鐘到了火星會(huì)有一刻鐘這表明我們可以說在此刻的火星上有已經(jīng)發(fā)生的事件和尚未發(fā)生的事件也有那么一刻鐘的時(shí)間這段時(shí)間的事情既不發(fā)生在過去也不發(fā)生在未來50這些事件在他處我們從未意識(shí)到這個(gè)他處因?yàn)樵谖覀冎車@個(gè)他處太短暫了我們無法察覺到它但它真實(shí)存在51這就是在地球和火星之間無法進(jìn)行流暢通話的原因比如我在火星而你在地球我問了你一個(gè)問題你一聽到就立刻回話但你的回復(fù)要在我提出問題一刻鐘后才傳到我這兒這一刻鐘的時(shí)間相對于你回答我的時(shí)刻而言既不在過去也不在未來52愛因斯坦領(lǐng)悟到的關(guān)于自然的重要事實(shí)就是這一刻鐘是無法避免的我們無法把它消除它被編織在時(shí)空事件的紋理中我們無法縮短它就如我們無法給過去寄一封信一樣53這表明說火星上某一事件“正在”發(fā)生沒有意義因?yàn)椤艾F(xiàn)在”并不存在愛因斯坦領(lǐng)悟到“絕對的同時(shí)性”并不存在宇宙中并不存在“現(xiàn)在”發(fā)生的事件宇宙中發(fā)生的事件不能用一系列的、一個(gè)接一個(gè)的“現(xiàn)在”來描述它有著更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)下圖描繪了物理學(xué)中的時(shí)空一組過去與未來的事件以及既不是過去也不是未來的事件這些事件并不在一瞬間形成它們本身要持續(xù)一段時(shí)間同時(shí)的相對性54在仙女座這個(gè)延展的現(xiàn)在的持續(xù)時(shí)間相對于我們是兩百萬年這兩百萬年間發(fā)生的任何事情于我們來說既不在過去也不在未來如果某個(gè)先進(jìn)而且友善的仙女座文明決定派一個(gè)宇宙飛船艦隊(duì)來拜訪我們?nèi)柵炾?duì)“現(xiàn)在”出發(fā)了與否并沒有意義唯一有意義的是當(dāng)我們接收到來自艦隊(duì)的第一個(gè)信號(hào)時(shí)從那一刻起——而非提前——因?yàn)榕炾?duì)出發(fā)于我們的過去55空間與時(shí)間融合成了統(tǒng)一的時(shí)空概念電場與磁場也以同樣融合成了電磁場時(shí)間與空間合二為一電場與磁場合二為一那么“能量”與“質(zhì)量”也可以合二為一56能量與質(zhì)量是同一實(shí)體的兩面就如電場和磁場是同一種場的兩個(gè)面向空間和時(shí)間是同一事物即時(shí)空的兩個(gè)面向57存在某個(gè)過程可以把能量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量或把質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量愛因斯坦快速計(jì)算出了通過轉(zhuǎn)化一克物質(zhì)可以得到多少能量結(jié)果就是著名的公式：E=mc^258由于光速c是個(gè)非常大的數(shù)c^2是個(gè)更大的數(shù)因此轉(zhuǎn)化一克物質(zhì)得到的能量十分巨大有數(shù)百萬顆炸彈同時(shí)爆炸那么大的能量足以照亮一座城市或給一個(gè)國家的工廠供電數(shù)月或是反過來可以用一秒鐘摧毀像廣島這樣的城市中的幾十萬人59如今愛因斯坦提出的時(shí)空結(jié)構(gòu)已經(jīng)被充分理解在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)過了反復(fù)檢驗(yàn)確認(rèn)成立對時(shí)間和空間的理解與自牛頓時(shí)代以來的方式不再相同空間并不獨(dú)立于時(shí)間存在擴(kuò)展空間中并不存在一個(gè)可以被稱為“現(xiàn)在的空間”的特殊部分60我們對現(xiàn)在的直觀理解所有事件“現(xiàn)在”都在宇宙中發(fā)生是我們由于無知而做出的判斷因?yàn)槲覀儫o法感知到短暫的時(shí)間間隔從我們狹隘的經(jīng)驗(yàn)來看這是個(gè)不合邏輯的推斷61就如同地球是平的是個(gè)幻覺一樣我們把地球想象為平的是由于感官的局限因?yàn)槲覀兡抗舛虦\。如果我們像小王子那樣生活在一個(gè)直徑幾千米的小行星上就會(huì)很容易發(fā)現(xiàn)我們是住在一個(gè)球面上62如果我們的大腦和感官可以更加精密如果我們可以輕易地感知一納秒的時(shí)間就不會(huì)產(chǎn)生普適的“現(xiàn)在”的概念我們會(huì)很容易意識(shí)到在過去與未來之間存在著中間區(qū)域我們會(huì)意識(shí)到說“此時(shí)此地”是有意義的但是把“此時(shí)”當(dāng)作全宇宙共同的“此時(shí)”是沒有意義的63正如問我們的星系是在仙女座的“上面還是下面”是一個(gè)沒有意義的問題一樣因?yàn)椤吧稀迸c“下”只在地球表面有意義而非在宇宙里宇宙中不存在“上”或“下”64同樣宇宙中的兩個(gè)事件也不存在“之前”或“之后”時(shí)間與空間交織在一起的結(jié)構(gòu)就是物理學(xué)家口中的“時(shí)空”65牛頓已經(jīng)解釋了物體下落與行星公轉(zhuǎn)的原因他設(shè)想了一種所有物體間互相吸引的力“引力”但這種力是如何在中間沒有任何媒介的情況下吸引遙遠(yuǎn)物體的這點(diǎn)牛頓一直無法理解牛頓本人也懷疑在不接觸物體間的力的概念中有某些東西被遺漏了66地球要想吸引月球二者之間應(yīng)該存在某種能夠傳遞這種力的東西兩百年之后法拉第找到了答案不是引力而是電磁力的答案：場電磁場可以傳遞電磁力67到了這一步邏輯清晰的人都會(huì)明白引力肯定也有它的法拉第力線類比來看太陽與地球間的引力或是地球與下落物體間的引力很明顯也是源于一種場——引力場對于是什么傳遞了力這一問題法拉第和麥克斯韋發(fā)現(xiàn)的解答一定不僅適用于電場力也適用于引力肯定存在引力場和與麥克斯韋方程組類似的方程能夠描述法拉第的引力線的運(yùn)動(dòng)68物體在空間中運(yùn)動(dòng)這空間必須是個(gè)巨大空心的容器是一個(gè)能裝下宇宙的牢固的盒子其中有一個(gè)巨大的腳手架物體在上面做直線運(yùn)動(dòng)直到有外力迫使它改變方向但這個(gè)容納世界的“空間”是由什么構(gòu)成的呢？空間是什么呢？69世界并不是由空間、粒子、電磁場、引力場組成而只是由粒子與場組成除此之外別無其他沒有必要把空間作為附加要素加進(jìn)來牛頓的空間就是引力場或者反過來說也一樣引力場就是空間70但是與牛頓平直、靜止的空間不同由于引力場是一種場它會(huì)運(yùn)動(dòng)與起伏并遵循一定的方程和麥克斯韋的場與法拉第的力線一樣71空間不再與物質(zhì)有所分別它也是世界的一種物質(zhì)組成部分與電磁場類似它是一種會(huì)波動(dòng)起伏、彎折扭曲的真實(shí)實(shí)體72我們并非被容納在一個(gè)無形固定的腳手架里我們是在一個(gè)巨大的、活動(dòng)的軟體動(dòng)物內(nèi)部太陽使其周圍的空間彎曲地球并不是由于神秘超距作用的吸引才圍繞太陽運(yùn)動(dòng)而是在傾斜的空間中沿直線運(yùn)動(dòng)就像在漏斗中轉(zhuǎn)動(dòng)的珠子不存在什么由漏斗中心產(chǎn)生的神秘的力是漏斗壁彎曲的特點(diǎn)使珠子旋轉(zhuǎn)行星環(huán)繞太陽運(yùn)動(dòng)、物體下落都是因?yàn)樗鼈冎車目臻g是彎曲的73地球環(huán)繞太陽運(yùn)動(dòng)因?yàn)樘栔車臅r(shí)空是彎曲的就像一顆珠子在彎曲的漏斗壁上旋轉(zhuǎn)74更準(zhǔn)確地說彎曲的不是空間而是時(shí)空愛因斯坦證明時(shí)空它不是一連串的瞬間而是一個(gè)有結(jié)構(gòu)的整體7519世紀(jì)最偉大的數(shù)學(xué)家高斯已經(jīng)完成了描述曲面的數(shù)學(xué)例如山體的表面或像下圖中畫的那樣彎曲的二維表面76后來他讓一位才華橫溢的學(xué)生把這一數(shù)學(xué)推廣到三維或更高維的彎曲空間這位名叫黎曼的學(xué)生寫了一篇看似毫無用處又冗長的博士論文77黎曼的成果是任何維度的彎曲空間或時(shí)空的屬性都可用一個(gè)特定的數(shù)學(xué)對象來描述我們稱之為黎曼曲率用字母R表示以平原、小山與山脈為例平原表面的曲率R等于零是平的也就是“沒有曲率”曲率不等于零的地方則是山谷和小山在山峰的頂點(diǎn)曲率有最大值也就是最不平坦或最彎曲運(yùn)用黎曼的理論可以描述三維或四維彎曲空間的形狀78愛因斯坦付出了巨大努力并且向比自己數(shù)學(xué)更好的朋友尋求幫助終于學(xué)會(huì)了黎曼數(shù)學(xué)他寫出了一個(gè)方程其中R正比于物質(zhì)的能量也就是說有物質(zhì)的地方空間彎曲得更多這就是答案這個(gè)方程可與麥克斯韋方程組類比但適用于引力而非電場力這個(gè)方程只有半行就這么簡單一個(gè)洞見——空間會(huì)彎曲——變成了一個(gè)方程79一開始愛因斯坦重新計(jì)算了像太陽這樣的物體對其周圍空間的彎曲效應(yīng)以及這個(gè)彎曲對行星運(yùn)動(dòng)的影響他發(fā)現(xiàn)行星的運(yùn)動(dòng)與牛頓的方程的預(yù)測大致相同但不完全一致在太陽附近空間彎曲的影響比牛頓的力的影響要強(qiáng)80愛因斯坦計(jì)算了水星的運(yùn)動(dòng)由于它是離太陽最近的行星所以他和牛頓的理論對其預(yù)測的差異也最大他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)差別水星軌道的近日點(diǎn)每年比牛頓理論預(yù)測的要多運(yùn)動(dòng)0.43秒弧度這是個(gè)非常小的差別但尚在天文學(xué)家能夠觀測的范圍內(nèi)通過天文學(xué)家的觀測結(jié)果來比較這兩種預(yù)測結(jié)論十分明確水星的運(yùn)動(dòng)遵循愛因斯坦預(yù)測的軌跡而非牛頓的預(yù)測81愛因斯坦的方程描述了星體附近空間如何彎曲由于這種彎曲光線會(huì)偏折愛因斯坦預(yù)言說太陽會(huì)使其周圍的光線彎曲實(shí)驗(yàn)測量在1919年完成光線的偏折被測出結(jié)果與預(yù)言完全一致82但不只空間會(huì)彎曲時(shí)間也會(huì)愛因斯坦預(yù)言在地球上海拔高的地方時(shí)間流逝得更快海拔低的地方要慢些經(jīng)過測量后發(fā)現(xiàn)也確實(shí)如此現(xiàn)在許多實(shí)驗(yàn)室中都有極其精確的鐘表即使高度上只有幾厘米的差異也可以測出這種奇特的效應(yīng)83把一塊表放在地板上另一塊放在桌子上地板上的表顯示走過的時(shí)間要比桌上的表少84為什么呢？因?yàn)闀r(shí)間不是統(tǒng)一與靜止的它會(huì)根據(jù)離物質(zhì)的遠(yuǎn)近而延伸或收縮地球像其他物質(zhì)一樣會(huì)使時(shí)空彎曲減慢其附近的時(shí)間雖然只有一點(diǎn)點(diǎn)85但分別住在海邊和山上的雙胞胎會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)他們再次見面時(shí)其中一個(gè)會(huì)比另一個(gè)更老。86一對雙胞胎一個(gè)在海邊生活另一個(gè)在山上生活當(dāng)他們再次相見時(shí)住在山里的要更老這就是引力的時(shí)間膨脹87好吧信不信由你向上拋出的球會(huì)下落也是由于同樣的原因它運(yùn)動(dòng)得更高時(shí)會(huì)“增加時(shí)間”因?yàn)樵谀莾簳r(shí)間以不同的速度流逝一個(gè)物體越高時(shí)間對它而言流逝得越快88理論的預(yù)言遠(yuǎn)不止這些微小的效應(yīng)星體只要有足夠的氫作為燃料就會(huì)燃燒然后漸漸停息當(dāng)熱產(chǎn)生的壓力無法支撐剩余的物質(zhì)時(shí)它就會(huì)因自身的重量而坍縮當(dāng)一個(gè)足夠大的星體發(fā)生這種現(xiàn)象時(shí)由于重量太大物質(zhì)會(huì)被壓扁到極致空間極度彎曲成一個(gè)洞黑洞由此誕生已經(jīng)有上百個(gè)黑洞被觀測到被天文學(xué)家深入地研究89理論還預(yù)言空間會(huì)像海面一樣起伏這些起伏就和電視機(jī)的電磁波相似這些“引力波”的效應(yīng)可以在天空中的雙星那里觀測到它們會(huì)發(fā)射引力波失去能量逐漸向彼此靠攏由兩個(gè)黑洞產(chǎn)生的引力波在2015年下半年被地球上的天線直接觀測到愛因斯坦理論看似瘋狂的預(yù)言再次被證實(shí)了90另外理論還預(yù)言宇宙正在膨脹以及宇宙誕生自一百四十億年前的一次大爆炸91時(shí)空與引力場是一回事這個(gè)觀點(diǎn)現(xiàn)在變成了一個(gè)方程92發(fā)表方程兩年后愛因斯坦決定用它來描述整個(gè)宇宙空間來考察宇宙的最大尺度由此他有了另一個(gè)驚人的想法93數(shù)千年來人類一直反躬自問宇宙究竟是有限的還是無限的94愛因斯證明宇宙可以是有限的與此同時(shí)沒有邊界這是如何辦到的呢？就如地球表面它不是無限的但也沒有邊界只要東西可以彎曲這就會(huì)很自然地出現(xiàn)地球表面就是彎曲的在廣義相對論中三維空間當(dāng)然也可以彎曲因而我們的宇宙可以有限但無界95在地球表面如果我沿直線一直走并不會(huì)永無止境地前進(jìn)下去最終我會(huì)回到出發(fā)點(diǎn)宇宙的構(gòu)造也是同樣的方式如果我乘坐宇宙飛船始終向同一個(gè)方向行進(jìn)我會(huì)環(huán)繞宇宙一圈最終返回地球像這樣有限但無界的三維空間被稱作三維球面96要理解三維球面的幾何就要先回到普通的球面皮球或地球的表面為了表示飛機(jī)上看到的地