一篇文章带你进入相对论的世界
日俄战争结束的1905年，被后人视为物理学的奇迹年，为什么呢？因为在这一年，爱因斯坦接连甩出了五篇论文，每一篇都举足轻重。
3月，《关于光的产生和转化的一个试探性观点》，在这篇论文中，爱因斯坦提出了光的波粒二象性，也就是说，电磁波即是一种波，也是一种粒子，取决于你从什么角度来观测它。实际上，就连宏观的物体，比如你和我，都具有波粒二象性。爱因斯坦凭借这篇论文，获得了1922年的诺贝尔物理学奖。
4月，《分子大小的新测定法》，这篇论文测定了分子的大小。
5月，《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》，这篇论文，爱因斯坦论证了原子的存在。
6月，《论动体的电动力学》，这也就是狭义相对论的诞生。
9月，《物体的惯性同它所含的能量有关吗》，这篇论文补充了狭义相对论的一个结论，并推算出了一个公式，即目前为止众人皆知的质能方程，E=mc²。
你能说，1905年不是一个奇迹年吗？
爱因斯坦可以说是凭借一己之力，奠定和推动了相对论，虽然他也是量子力学的奠基人之一，但他后来是不接受量子力学的推论的。而且，量子力学阵营中的大咖有很多，爱因斯坦只是其中之一，而回到相对论领域，有且仅有他一人。
很多人一提起相对论，都敬而远之，觉得太高深，太可怕了，实际上，相对论一点都不难理解，也很有趣，你完全可以闭上眼睛，在脑海中构思一个又一个实验，不需要去买个实验仪器做实验，就能理解相对论的精髓。
每当我在夜深人静，去思考相对论和量子力学时，我都会感觉好神奇，我惊讶于，我们人究竟是一个什么样的物种，我们恐怕是这个星球上唯一一个孜孜不倦地去思考、去探索自身存在的物种了吧，正如亚里士多德所言：“哲学起源于惊奇与闲暇。”
没错，无论是相对论还是量子力学，其中都有一定的哲学味道。每一个生活在21世纪的人，都应该去感受一下相对论和量子力学的美，它真的真的很美，美到让你觉得，此生生而为人，原来是那么的幸运。
Part 02
假设有物体超过光速会怎么样？
现在，让我们来模拟一个场景，你站在一个空旷的草地上，而我呢，在距离你一百米处朝你射出一支箭，假设这支箭的速度是一百米每秒，那它射到你身上的时候，你肯定会感觉到痛，假设你和古希腊的神一样，你拥有不死之身，但还是会感觉到痛。
你从身上拔出了箭，轻蔑地对我说：“哼！这算什么？敢不敢再快一点？”
为什么要快呢？因为一个物体运动得速度越快，那么它的动能就越多，射到你身上的时候，你也就会感觉到越痛。你就像是水浒里面的英雄好汉一样，以自虐地口吻要求我对你再狠一点。
我的臂力有限，弓的材料也是不变的，我射出来的箭，一百米每秒的速度是极限了，这个时候，面对你如此变态的请求，我也不知该如何是好。
想了一会，我突然想到了一个办法，我从别处牵过来一匹马，我骑上了马，在距离你两百米处开始冲刺，到距离你一百米的时候射出箭，这支箭的速度就会附带上马的速度，朝你射过来，假设马的速度是五十米每秒，那么射出来的箭就是100+50=150米/秒，显然，你会感觉到更痛。
以上，都没什么问题吧？马的速度与箭的速度是在同一条水平线上且方向相同，则从马上射出来的箭的速度是箭本身的速度加上马的速度，这是最基本的物理学常识了，想必初中生也能想明白。
可是，你被射了一箭后，仍旧不满足，还希望我再快一点，再用力一点，我随之换了一匹又一匹马，马的速度也在增加，一直到五百米每秒的时候，你还是不满足，觉得不够痛快。我现在只能内心祈祷，祈求上帝能够赐予我一匹更快的马和更快的箭。
突然，天降大雷，上帝显灵了，他满足了我的要求，给了我一支光箭和一匹光马，什么意思呢？就是箭射出来的速度是光速，即30万公里每秒，马奔跑的速度也是光速。
我骑上了光马，对你射出了光箭，这支箭对你来说，速度是两倍的光速吗？（光马与光速是无限接近光速，其极限是光速）
如果按照之前我们对于速度叠加的理解，那么这支箭就是两倍的光速，即60万公里每秒。
这个问题我们先放一边，再按照这个思路继续思想下去。上帝的出现，不仅给了我光马和光箭，他还剥夺了你的不死之身，因为他觉得你太烦了。
这个时候，我骑上光马，对你射出了光箭，这支箭击中你的时候，你就死了，这没什么问题吧。
假设你的视力很好，可以捕捉到光子的运动，可是对你来讲，你是莫名其妙死掉的，为什么呢？因为你根本就看不到我骑在马上，右手松开弓弦的那一刻。
当你看到我手松开弓弦的时候，你就知道，我要射箭了，那么你也就有了一个心理准备，接下来你的胸口被箭击中，也是你预料之中的事情。可是，如果我骑着光马对你射光箭，就会出现一个很有意思的一幕。你根本就看不到我手松开弓弦的那一刻，你就死了，因为光子照射在我手松开弓弦的这一幕，然后传递到你的眼里，是光速，而光箭对于你来说是两倍的光速，也就是说，你死得不明不白，甚至，你明明看到我手还没松开呢，弓箭就在我手里好好待着呢，你胸口就莫名受到了一击，然后你就死了。
于是，你上了天堂之后，百思不得其解，你来到上帝面前，要讨个说法，为什么你死得如此不明不白，简直就是含恨而死。
上帝静静地听着你的不满，没有说话，这时，从他身后出现了一个人，当你看到他的时候，你愣了一下，随后准备拔腿就跑。可是，令你意想不到的是，你的腿就像灌了铅一样，直直僵在了原地，动弹不得。
爱因斯坦走到了你面前，摸了摸你的头，跟你说：“可怜的孩子，又是一个被应试教育摧残的人。”
此刻，你的头脑完全一片空白，你想起了高中时代刷不完的试题，你一想起那个牛顿就头疼不已，更别说爱因斯坦了。
爱因斯坦理解你心中的恐惧与焦虑，他似乎是一个话痨，也不管你愿不愿意听，就滔滔不绝讲述起来：“其实，我早年的时候也特别讨厌这种强迫的教育，我尤其反感军队，我渴望自由。我高中是在德国慕尼黑上的，你知道吗？当时在德国的高中，基本实行的都是军事化管理，这我怎么受得了，所以我就离开了，甚至，我连德国国籍身份都扔了。”
“后来我就去瑞士联邦理工学院上大学，没想到里面的物理系竟然不教麦克斯韦的电动力学，这让我失望透顶，我就自学去了。甚至，我都看不上那里的物理老师，各个迂腐至极，教授们也都看不起我，觉得我是一个不服管教的人，更可气的是，他们竟然让我别学物理了，去学医学，这对我来说是天大的耻辱啊。”
你听了爱因斯坦的一番独白，似乎并没有像一开始那么怕他了，而后，他接着说：“不要紧张，我不是来给你强行灌输知识的，请你暂时先忘掉对书本的恐惧，请你回忆一下，你小时候是不是也经常思考呢？思考的乐趣，你为什么在长大成人之后就丢掉了呢？”
Part 03
光速是相对于谁而言的？
随后，爱因斯坦递给了你一封信，你稍微瞄了一眼，发现都是文字，没有任何数学公式，你顿时松了一口气：
我从很早的时候就开始思考，如果我运动的速度可以达到光速，那我会看到什么，光在我眼里就是静止的吗？
这个问题一直困扰了我很久，你还记得余襄子在上一系列讲的20世纪物理学界的两大乌云吧，其中一个就是迈克尔逊-莫雷实验，人们将其称为最成功的失败实验。
麦克斯韦预言了电磁波，并且预言光就是电磁波，这一点得到了赫兹的实验证明。人们在之前就知道，光是有速度的，并非是无限的，并且已经得出了光速约等于三十万公里每秒。那么问题就来了，这个速度是相对于谁而言的？
就比如我在草地上以十米每秒的速度奔跑，你也在草地上，那么我相对于你的速度就是十米每秒；如果我坐上了一列火车，火车的速度是一百米每秒，而我在火车上，顺着火车运动的方向以十米每秒的速度奔跑，那我相对于你而言，速度就是一百一十米每秒。
因此谈到速度，我们就要先弄明白，这个速度是相对于谁而言的。光速也不例外，一开始，人们认为光速是相对于光源而言的，比如太阳光的速度，是相对于太阳而言。但是很快，这个结论就与人们的观测不相符。
比如在遥远的外太空，有两颗恒星相互旋转运动，当一颗恒星向着我们地球运动的时候，另一颗恒星就背对着我们地球运动，这两颗恒星的光抵达地球的时候，我们观测到的光速应该是不一样的。但是，人们通过观测却发现这类双子星，各自的光到达地球的时候，光速是一样的，这就推翻了光速是相对于光源的假设。
那么，是否在这个宇宙中，有一种介质，平均地分布在宇宙的各个空间中，我们看不见摸不着，光速就是相对于这个介质而言的，这个介质被人们称之为以太。
人们假设，地球就处于这样的一个被以太所充斥的空间中。如果是这样的话，那我们从不同方向射出去的光，速度应该是不一样的。但是迈克尔逊-莫雷实验却测量出光速在不同方向上并没有任何差别。
你还记得我之前提出来的那个问题吗？如果我以光速运动，那么光在我眼里是静止的吗？
首先我们得搞明白，光是如何传播的。光就是电磁波，根据麦克斯韦方程组，我们可以得知，振荡的磁场会产生电场，而振荡的电场又会产生磁场，以此类推，电磁波就是在一个个新的电场与新的磁场的交替中传播。这也就是说，电磁波的传播压根就和波源的运动速度无关。
问题来了，当我以光速运动，如果光是静止的，那么我就会看到一个在振荡，频繁产生新磁场和新电场的波，却不传播。这就好比，你朝着静止的水面扔出一块石头，石头击中水面的中央，会形成水波，并传递出去，这个时候，你对着水波大喊一声：“现在我要奔跑啦，奔跑的速度和水波的速度是一样，所以你们就上下震动好了，别向外扩散了，因为你们在我眼里是静止的。”
想想看，这是多么荒谬的一个场景，我实在是不敢继续想下去了。
越来越多的困惑在我脑海中盘旋，让我很多时候都睡不着觉。后来我就在想，有没有可能是我们的前提假设错了？
我们一直以为光速是会变的，不同方向上的光速，在不同介质中的光速都是会变的，所以我们才得出了一些荒谬的结论，如果我们将前提假设换一下呢，假设光速是不变的呢？
Part 04
光速不变原理+狭义相对性原理
如果我们假定光速是不变的，那么迈克尔逊-莫雷实验的观测数据也就不奇怪了。
我们也可以从另一个思考角度出场，也能得出同样的结论，即光速不变。
不知你还记得余襄子在很早之前写伽利略时候的情形吗？就是那个伽利略变化，简而言之就是，在任何惯性系中，力学规律始终保持不变。无论你是在一辆匀速直线运动的火车上做力学实验，还是在一辆静止的火车上做力学实验，其实验结果都是一样的，是不变的。换句话讲，你根本就无法判断你究竟是在一辆匀速直线运动的火车上还是在一辆静止的火车上。
这就是伽利略的相对性原理。
我就在想，是否可以将这个相对性原理再扩展一下呢？不仅是力学规律不变，有没有可能连电磁学规律和热力学规律都不变呢？
我们先假设在任何惯性系中，电磁学的规律会发生变化，即在不同的惯性系下，普遍的物理规律是不同的。不知你是否想到了那个古希腊的芝诺，没错，我用的就是他创造出来的辩论法，先假设前提条件是对的，然后我们按照这个假设出来的前提进行推导，如果推导出了一些荒谬的结论，那么我们就可以得出，前提假设是错的。
言归正传，如果我们按照前面的那个假设，也就是说，我们做任何电磁学的实验，都要考虑方向性。因为地球就是一个高速旋转的物体，试着想一想，赫兹在做实验的时候，还要考虑实验室的朝向问题，如果有人跟你说，实验室的朝向将决定电磁实验的结果，你一定觉得这人八成脑子搭错了吧。甚至，在地球赤道做电磁实验与在两极做电磁实验的结果是不相同的，因为地球的旋转速度在这两块地方是不一样的。
所以，我们只有假定，在任何惯性系下，不仅力学规律不变，所有的物理规律都不变。根据这样的想法，我们自然就会得出，光速恒定不变。如果不是这样的话，那我就可以通过电磁实验来告诉你，我所处的火车相对于地面，究竟是匀速直线运动的还是静止的。
根据光速不变这个原理，我们可以得出一些有违常识的事情。比如，运动的物体，时间会变慢，不仅如此，运动的物体，其长度也会缩小，其重量也会增加。
一直以来，我们都相信牛顿的绝对时空观，认为时间是客观存在的，不随任何人意志的转移而变化，实际上，时间是会变的，不变的是光速。
Part 05
钟表变慢效应
我们来假设一下，比如你在地面上，我坐在一列高速行驶的火车上，我手里拿了一个手电筒，对着火车的天花板打开了开关，手电筒亮了，光子飞出去了，撞击到了火车的天花板上。对我而言，光行进的路线就是一条垂直向上的直线，对你而言，光行进的路线跟我看到的就不一样，而是一条斜线，且其长度大于我所看到的直线。
根据勾股定理，我们可以得出这样一个公式，很抱歉出现了一个公式，但这个公式不难理解。我们发现，当火车运动的速度很小的时候，这个值约等于1，这就相当于伽利略变化式，而当火车的速度不断增加时，我们会发现，时间会趋近于无穷大，什么意思呢？就是时间变慢了。
需要注意的是，这个时间变慢的效果，我自己是感受不出来的，在一列高速运动的火车上，我该干嘛还干嘛，呼气用一秒钟，吸气也用一秒钟，而你在火车外看到的我，就会感觉我在慢动作做事，我呼气用了两秒钟，吸气也用了两秒钟。
这就好比我拍了一段视频，视频中的我是以正常时间运动的，而这个视频到了你手中，你按下了0.5倍速播放，那你所看到视频中的我，运动就会慢下来，但实际上，我拍视频的时候还是用正常速度拍的。
按照这样的思路，我们也可以得出，不仅时间是相对的，就连空间也是相对的。比如说一个铁棍在运动，那么它在运动方向上的长度就会缩小，根据动量守恒，其质量也会增加。
但是，千万不要以为相对论会让你变得更长寿，时间变慢，并不意味着你拥有了更多时间，这只是不同坐标系对比的结果。假如你坐上了一辆高速飞行的飞船，离开了地球，在地球上的我看你，是觉得你的时间变慢了，但你自己不会这么觉得，再假如你在外面浪了一圈回来后，发现地球已经过去了100年，而你自己飞船上的钟表显示，你只过了60年，这40年的时间差距，不是你多出来的，而是不同坐标系观测的结果不同。假如你一年可以看十本书，那么你在外面浪的时间，也只能看600本书，而不是1000本书。
但是，这会带来一个悖论，也就是双生子佯谬，比如你有一个双胞胎兄弟，你俩的岁数都一样，在20岁的时候，你突然想去外太空旅游，于是你驾驶着一架高速的飞船走了。等你回来后，你发现在地球上的兄弟已经长白头发了，而你却依旧是一个中年油腻大叔。这点根据狭义相对论，就可以推导出来。
但是，换一个角度想，运动是相对的，当你相对地球和地球上的兄弟高速运动的时候，地球何尝不是在以高速相对于你而运动。我们也可以看成，你并没有高速运动，而是地球带着除你以外的地球人以高速离开了你，而后又回来了，难道不应该是地球上的人的寿命比你更短吗？为什么不是你在地球上的兄弟比你更年轻呢？
这个问题的确让人们头疼了很久，其实，这个问题的答案是，你和地球所在的坐标系并不是等价的。地球可以近似为一个匀速直线运动的坐标系，而你呢，你离开地球的速度并不是匀速的，而是先加速，而后匀速，再减速，掉头，加速，匀速，减速，回到地球，你所经历的并非是匀速直线运动。
当然，这些效应是在速度足够大，甚至接近光速的时候才有明显的效果，如今我们的飞机在天上飞，在飞机上的空姐的时间在你看来的确是变慢了，但是这完全可以忽略不计，一辈子也差不了一秒。
可能你会觉得这些离你太遥远，甚至都是信口开河，胡说八道，但是，相对论的时钟变慢效应已经得到了实验实证。比如20世纪后半叶，就有一种精度很高的原子钟，人们先是将两个原子钟的时间对好，然后一个放在地面上不动，一个则带到飞机上飞行，虽然这两者的时间差异非常微小，但这个差异却是真实存在的。
不知你想过没有，因为光速是恒定的，而且光具有速度，所以我们并非“同时”，什么意思呢？就比如我站在你面前，跟你说一句话，声波与光的传播都需要时间，因此，当我的话传到你耳边的时候，那并非现在的我所说的话，而是过去的我所说的。同样的，你所看到的我，也并非现在的我，而是过去的我。因此，我在你面前，永远是过去的我。
再者，你的思考也需要时间，因此，你脑海中出现的念想，也并非现在的你所想的，而是过去的你所想的。可以说，我们一直都活在过去之中。
这么一想，大有一种看破红尘的感觉，似乎，这个宇宙也就这么回事儿。
根据狭义相对论，后来我又推导出了那个著名的质能方程，实际上，质量和能量也是一回事。
也许，这个宇宙的万事万物，最终都是一回事儿，哪有什么彼此，有的仅仅只是同一东西的不同形式，这个时候，我多么想唱一首歌，爱你就等于爱自己。
到现在为止，你应该能明白过来，你在临死前，究竟有没有看到余襄子的手离开了弓弦吧。因为光速不变，所以你是看到了，弓箭射出来的速度接近光速，因此它从被射出，到击在你身上所用的时间，被拉长了。是的，其实你是可以清晰地看到弓箭运动的轨迹，它运动地就像蜗牛一样慢，因为它运动的时间被无限拉长，且其本身的长度也被缩减。
今天就跟你讲狭义相对论，至于广义相对论，你就再等十年吧，不过我敢保证，比起狭义相对论，广义相对论会更颠覆你的三观，而且还会更精彩。
Part 06
1915年-广义相对论
之前讲了狭义相对论，现在，又轮到我们伟大的爱因斯坦出场了。很多人认为，抛开数学计算，狭义相对论要比广义相对论好理解，然而，我怎么感觉广义相对论更难一点，那个引力与加速度等效就让我想了很久。
从狭义到广义，看上去好像是文字上的一小步，但对于整个人类来讲，却是认知的一大步。这一步，爱因斯坦花了足足十年，据说，在1915年爱因斯坦完成广义相对论的所有内容后，写道：“让我好好休息一阵子，我实在是太累了。”
实际上，广义相对论完全就是爱因斯坦一人的贡献，当时，其实已经有很多学者摸到了狭义相对论的边缘，洛伦兹距离相对论仅有一步之遥，就连另一个法国数学家庞加莱也已经正确地阐述了相对性原理，并推测真空中的光速可能是一个常数。
换句话说，有没有爱因斯坦，狭义相对论有很大几率被其他人提出来，因为当时对于整个物理学家来讲，迈克尔莫雷实验带来了一场危机，每个人都能感受得到，也会想办法去解决。但广义相对论就不同了，它更像是横空出世一样，几乎完全就是爱因斯坦一人潜心修炼的成果。
回顾一下狭义相对论，其根本就是建立在两条原理：狭义相对性原理和光速不变原理，这两条原理都是在逻辑上必然导出的。狭义相对性原理，指的是，在所有惯性系下，物理规律都不变。
什么是惯性系呢？简单理解一下，对所有运动的描述，都是相对于某个参考系的，如果一个运动是匀速直线运动或静止，那么我们就可以将这个参考系当做惯性系。
伽利略就已经得出，在任何惯性系中，匀速直线运动和静止是一回事，也就是说，在任何惯性系中，力学规律完全不变。爱因斯坦在狭义相对论中指出，在任何惯性系中，不仅力学规律完全相同，就连电磁学、热力学规律也一样。
在任何惯性系下，任何物理学规律都不变，这就是狭义相对性原理。
然后，爱因斯坦就在想呀，这个能不能运用到非惯性系中呢？
如果要这么想，首先要加入“引力”因素。
Part 07
引力与加速度等效
我们来假设一下，某一个极端分子在电梯里面放了一个定时炸弹，这个定时炸弹限时24小时后会爆炸，且威力惊人，会对方圆百里的人群造成伤害，而且，这个炸弹一旦感受到重力的变化超过一定阈值，就会立即爆炸。拆弹专家表示，这个弹拆不掉，但有一个办法，就是让电梯往上升，假设这个电梯是可以无限往上升的，那么只要让它上升到一定高度，然后让它爆炸，这样至少不会伤害到周围的人，这样就可以了。
可是，当你仔细想一想就会觉得这个让电梯升到高空中的办法有点不切实际，因为电梯一旦启动，炸弹就会爆炸。为啥？
因为电梯启动的时候必然会产生一个加速度，这个加速度会让重力感受器受到一个如同重力增加的力。就比如，我们坐电梯的时候，当电梯一启动，我们会有瞬间变重的感觉，也就是瞬间的超重，当电梯加速到一定程度，匀速向上升的时候，我们才会感觉正常，而当电梯减速的时候，我们又会有种失重的感觉。
那么可不可以人为精确地操控，让电梯启动时候的加速度很小，不足以超过那个阈值呢？
可是，就算这样了，还是会带来另一个问题。
就算这个电梯启动时候带来的加速效果还不足以超过重力感受器的阈值，但是请你想一想啊，重力难道在地球上的各个地方都是一样的吗？一个物体在地面上的重力和在距离地面3000米的重力是一样的吗？
也就是说，哪怕电梯是匀速上升的，但重力感受器感受到的重力是随着高度减少的，这样，炸弹还是会爆炸。
难道真的没有办法了吗？我们只能眼睁睁地看着炸弹爆炸吗？
嘿嘿，小兄弟，别着急，办法肯定是有的。
请再仔细想想，将前面的两种可能性结合一下，电梯的加速度会产生如同重力的效应，而电梯升得越高，则重力越小。如果我们能精确地控制电梯的加速度，则刚好可以把重力降低的效果完全抵消，如此，我们就可以把电梯安全地升到高处，让炸弹在高空爆炸，从而不影响到地面上人。
爱因斯坦也是想了一个类似的问题，假设我在火箭中做加速运动的时候，我所感受到的火箭推力，和我站在地面上感受到的地球引力，有什么区别吗？
在地球上，如果我们将手中的小球自然下落，它会在引力的作用下，越落越快，最后加速冲向地面。如果在一个加速向上运动的火箭中，当我放开小球，火箭的地板会加速冲向小球，也就相当于小球加速冲向火箭地板。
按照常识来讲，这似乎是两码事，并不一样，但在爱因斯坦看来，在火箭内部做实验，其实观测不到任何区别。
如果不理解，没关系，我们再来做一个思想实验。假设爱因斯坦在一艘宇宙飞船里面，飞船没有窗户，看不见外面。这个时候，假设飞船静止在太空中，或匀速直线运动，那么飞船应该处于失重状态。如果爱因斯坦将手中的小球松开，那么这个小球应该会漂浮在原来的位置，没问题吧。
再假设，如果这艘飞船从高处落下，做自由落体运动，不考虑空气阻力。飞船内的爱因斯坦手中也有一个小球，此时松开，那么你觉得这个小球相对于爱因斯坦是静止不动呢还是会打在爱因斯坦的屁屁上？
笨蛋！当然是相对于爱因斯坦静止不动啦。初中物理白学了吗？自由落体状态下，物体的下落时间与质量无关，只与初始速度有关。
这也就是说，爱因斯坦无法区分宇宙飞船究竟是在做匀速直线运动还是做自由落体运动，因为他和小球都处于失重的状态。
Part 08
引力并非一种真实的力
爱因斯坦隐约感觉，这个之前一直被我们称为引力的东西有问题，似乎引力并不是一种力，只是一种加速效果，由此，爱因斯坦有了一个大胆的猜想，一个加速参考系中的物理规律，和一个处在同等引力场里的参考系中的物理规律，是完全一样的。
我们都知道，重力加速度的值为9.8米每二次方秒，我们再假设，爱因斯坦还是在外太空的火箭上，这艘火箭以一定的加速度开始向上运动，而且这个加速度的值也为9.8米每二次方秒。这个时候，爱因斯坦会感觉自己似乎有了重量，如果他旁边有一个体重秤，他站上去，上面显示的重量与他在地球表面测量的重量几乎完全一样！（为什么是几乎呢，因为谁也不敢保证爱因斯坦在这期间有没有拉屎）
由此，我们可以得出结论：引力只是一种加速效果，它并不是一个真实的力。
或者说得严格点，在局部，引力根本就不存在，在大尺度范围内，引力根本就不是力。
卧槽？！相信肯定有很多小伙伴要说我胡说八道了，在语不惊人死不休了，竟然说万有引力不是力？是民科吧，是营销号吧。
别急，听我慢慢说，这里先不引入希格斯场了，就来看看物理学中的四个基本力，强核力、弱核力、电磁力和引力。
目前的情况是，强核力、弱核力与电磁力这三种力已经统一起来了，这个理论就叫“大统一理论”，而引力却一直没有统一进来。
在微观上，其他三个已经统一起来的力，都可以用某种例子的交换来解释，比如电磁力就是电子与质子之间在交换光子；强相互作用力则是在交换胶子，弱相互作用力是在交换“W玻色子”和“Z玻色子”。这些负责传递力的微观粒子是客观存在的，在实验中都可以被发现。
物理学家曾经试图寻找一种“引力子”来解释引力的传递，但这会设计到要将引力场给量子化，这是一套数学方法，但只有在引力很弱的时候才适用。所以说，引力子在理论上都不一定能存在，就更别说真的是否存在了。
再者，我年少的时候曾想过，万一哪一天，太阳突然消失了，被某个不明外星怪物给一口吞了，那么地球会怎么样呢？
如果引力是一种力，那么我们来看一下力的效果，力的产生是瞬时性的，力的产生与消失都是同时的，而且力是相互的，作用力与反作用力是成对出现的，这也就是说，至少要有两个物体。而且，牛顿的时空观认为引力是一种超距作用，也就是传递不需要时间。
如果按照上面的理论，那么太阳突然消失，太阳与地球之间的引力也会瞬间消失，地球可能就会乱飞，而光速虽快，却还是有一个速度的，太阳光约八分钟抵达地球。这也就是说，如果太阳突然消失，我们还是会看到太阳在天上挂着，只不过我们的地球会像一个失控的小球，被木星吸引过去。
如果引力是超距作用，那么还会带来另一个问题，即我们可以改变一个物体的质量而进行超距的信息传递。
我们假设两个人造星球，上面都住了人，A星球绕着B星球转，B星球上的人可以通过改变自身星球的质量，来改变两颗星球的引力。假设那时候的科技足够发达，改变质量这事完全不在话下，且非常精准。B星球质量增加一点，那么A星球就会距离B星球更近一点，B星球质量减少一点，A星球就会距离B星球远一点，如此，就像摩尔斯电码一样，A星球上的人可以通过这样的“动次打次”来解读B星球传递出来的信息，比如引力增加1%代表A，减少1%代表B，增加1.5%代表C……
这岂不是违背了狭义相对论吗？因为狭义相对论告诉我们，在这个宇宙中，光速是一个极限，任何物体与信息的运动速度都不能超过光速。
Part 09
引力是一种时空的弯曲
在爱因斯坦的世界里，引力并不是一种力，很可能只是一个幻觉，那么引力究竟是什么呢？
是一种加速效果，是时空的弯曲。
广义相对论的数学特别难，但是不要怕，这里不会出现任何公式。爱因斯坦也是在数学家的帮助下完成了广义相对论的数学计算，得出了引力场方程。
这里需要回顾一下黎曼几何，我们初高中学的都是平面几何，又叫欧式几何，是理想中的，在现实中几乎很少碰到。平面几何的曲率为零，后来的数学家在此基础上将曲率变动了一下，于是便催生了非欧几何。
我们的地球就是一个曲率为正的非欧几何，其表面是一个二维的平面，但不那么“平”，是一个弯曲的平面。在这样的几何中，两条平行线可以是相交的，比如地球上的任意经线，两两相互平行，但最终都会相交于南北两极。
假设我从地球的任一一点出发，沿着直线向前奔跑，不考虑任何阻挡物，那么假以时日，我就会回到原地。对于我来说，我一直都是在向前奔跑，走的是直线。
在非欧几何中的直线与平面几何中的直线不一样。
扩展阅读（非欧几何）：
简单来讲，如果海洋深处的生物也懂几何学的话，那么他们最自然的几何学就是双曲线几何。假设你是一条鲸鱼，生活在海里，你了解海洋里面的世界不是靠视觉，不是靠眼睛看，而是靠听觉，靠耳朵听。有一天，你在海里游啊游，看到了一条漂亮的母鲸鱼，准确来讲是听到一条母鲸鱼，你想叫一声：“姑娘慢走，留下你的微信号。”
你想让你的声音以最快的速度传达给母鲸鱼，在你的世界里，两点之间最短距离将是声波走过的路径，对你来说，这就相当于一条直线。
可是，问题来了，声音在大洋中的传播速度并非一直相等，在某一深度，它的传播速度跟它与水面的距离成正比，因此，声波传播的路径并非是直线，而是一条曲线，它们是圆心在洋面的圆弧。因此，对于鲸鱼来说，人类称之为圆的东西实际上就是它们的直线。
而且，在这样的世界中，三角形的内角和就不再是180°，而是小于180°，那里没有长方形，但是有直角五边形，最重要的是，在鲸鱼几何中，曲率是一个负数，这也就是说，在一开始平行的直线之间的距离会越来越大。
实际上，还有另一种非欧几何，我们一直以来就生活在其中，就是地球。在地球的表面，三角形的内角和大于180°，长方形不存在，但直角三角形是有的，比如，你可以画一个三个直角的三角形。
对，你没有听错，是三个角都是直角的三角形，而不是直角三角形，我来教你怎么画。首先，你在北极拉出一条直线，拉到赤道，然后沿着赤道，向东或向西，都可以，绕过四分之一个地球，最后向北回归北极，这样子你画出来的三角形的三个角就都是直角。在地球这样的球面几何中，曲率是一个正数，也就是说，刚开始两条平行的直线，最终都会相交于一点。与赤道垂直的纬线都是平行的，但是最终都相交于南极和北极。
该球面几何也就是人们所熟知的黎曼几何，如果说同时期的另一场代数革命给了人们打开量子力学的大门，那么黎曼几何就是给了人们打开相对论的大门在，准确来讲是给爱因斯坦打开广义相对论的大门。
罗巴切夫斯基在发明了他的非欧几何后，需要对其建立自身的相容性和无矛盾性，他后来的人生就几乎被这一项工作给填满了，但终其一生都未能实现。在他去世前两年，即1854年，德国伟大的数学家，也就是高斯的学生波恩哈德·黎曼，他是非欧几何的奠基人，欧几里得几何和罗巴切夫斯基几何都是黎曼几何中的特殊解。因此，非欧几何并非推翻了欧几里得几何，而是扩展了其边界，就好似相对论并非推翻了牛顿引力学说，而是扩展了其边界。
黎曼首先区分了无限和无界这两个概念，他认为，直线可以无限延长并不意味着就其长短而言是无限的，而是指它是没有端点或无界的，比如地球（假设它是标准的圆球），你沿着球面画一条直线，最终都会回到原点，你沿着这条直线走，相信我，就连夸父也走不完，因为这条直线无界，但它并非是无限的，因为它的长短就是地球的周长。
Part 10
物体总是沿着测地线运动
话说当年爱因斯坦要把墙上的一幅旧画换下来，就搬来一架梯子，一步一步爬上去。突然，他又想起了权一个问题，就沉思起来，忘记自己在做什么了。结果，他从梯子上摔了下来，摔倒在地上以后，他顾不得疼痛，马上想到：“人为什么会笔直地掉下来呢？看来物体总是沿着阻力最小的线路运动的。”
这个故事也不知真假，在很多书中经常看到，不过里面的想法很可能是爱因斯坦所思考过的。这就是说，一个处于自由状态下的物体，不受外力作用下的物体，总是沿着“阻力最小的线路”运动，这个线路也就是该物体所在坐标系中“最直的线”，我们也称之为“测地线”。
光在引力场的作用下会走一条曲线，根据质能方程E=mc²，光是有能量的，所以也就有动质量。有质量的东西，就会在万有引力的作用下改变直线轨迹，走曲线。如果光有意识的话，它不会觉得自己在走曲线，它觉得自己还是在走直线。就好似一个沿着地球赤道奔跑的人，它也不觉得自己在走曲线，他认为自己一直在走直线。
广义相对论，简单来说就以下两点：
一个有质量的物质，会弯曲它周围的时空。
在不受外力的情况下，一个物体总是沿着时空中的测地线运动。
或者换一个说法：
物质告诉时空如何弯曲。
时空告诉物质如何运动。
就比如地球围着太阳绕，根据牛顿的万有引力，则是太阳与地球之间有吸引力，太阳与地球之间就像连接了一条绳子，太阳拽着地球围着自己转。而根据广义相对论，只不过是太阳把时空弯曲得比较厉害，地球根据自己所在时空的测地线运动而已。
再比如围着地球转的宇航员，和一架飞机掉下来（不考虑空气阻力和风力），这两者在本质上是一样的，都是在做自由落体运动。这在爱因斯坦看来，都是自然运动。
什么是自然运动呢？就是在没有外力干扰的情况下，物体所做的运动。
亚里士多德认为自然的运动状态是静止，伽利略和牛顿则认为，力并不是维持物体运动的原因，而只是改变物体运动的原因，所以在他们看来，自然的运动状态就是匀速直线运动和静止。
现在爱因斯坦表示，一切沿着测地线的运动，都是自然运动。
这也就是说，自由落体运动、匀速直线运动和静止，在本质上没有什么区别。
我们在这个地球上，无论是跑着，站着还是躺着，只要是贴着地面的，都不是自然的运动。因为你本来应该掉下去的，可地板却阻止了你掉下去，所以，你站久了就会累，坐久了也会屁股痛。如果你想体验一下自然运动，应该来一场自由落体运动，或者去跳个伞，这是我们本该有的自然运动。
广义相对论中也有时间膨胀效应。空间弯曲得厉害，也就是引力场强的地方时间会慢一些。这里要引入一个“多普勒效应”。
Part 11
蓝移与红移
不知大家在日常生活中是否有过这样的体验，当一辆车子朝着你飞奔过来的时候，那引擎的声音听起来就比较刺耳，是比较高的，而当车子远离你的时候，那引擎的声音听起来就会很沉闷。这也就是说，当一个波向你而来，因为波相对于你的每一个周期都变短了一点点，它的频率就会提高，如果它是离你而去的，频率就会降低。
光波也是如此，如果发光点在向你而来，光的频率就显得更高一点，就会呈现出蓝色，这就叫“蓝移”，如果发光点在离你而去，则光的频率会变低，就会呈现出红色，这就叫“红移”。
Part 12
水星进动与引力透镜
其实说到这里，一切都还只是理论上的，如何通过实验来验证爱因斯坦的广义相对论呢？
第一件就是解决水星进动的问题。我们都知道，行星围绕着恒星转，其运动的轨迹并不是标准的圆形，而是椭圆。而且，行星绕一周之后也不会回到原来的出发点，会有一点点的偏移，我们就将其称之为“进动”。
早在十九世纪中叶，天文学家就观测点到了太阳系中，距离太阳最近的水星的进动。根据天文学家们精确地计算，将水星附近的物体，比如金星、地球的引力也考虑进去，也还是存在一点点的偏差。
用牛顿万有引力算出来的结果与实验观测的结果差了每100年进动43弧秒。圆周有360度，一度分为60弧分，一分又分为60弧妙。这也就是说，水星的进动问题100年才有43弧妙的差别，这是一个几乎觉察不出来的差距。
1916年，爱因斯坦用广义相对论的计算方式得出，因为广义相对论效应导致水星轨道的进动，刚好就是每100年43弧秒。（准确点来说是43.11弧秒）
除了水星进动问题外，其实还有一个验证广义相对论的办法，就是从最基本的推论出发，看看广义相对论预言的物理现象是否能被观测到。
广义相对论告诉我们，有质量的物体会弯曲周围的时空，当光经过的时候，会沿着被弯曲时空的测地线运动，在光的眼里，它依旧在沿直线传播，可我们会看到，光是被弯曲了。
因此，要验证广义相对论最直观的办法，就是去验证光是否真的会在引力场的作用下弯曲。
根据这一预言，宇宙中的天体应该会有一种现象，叫引力透镜。比方说，远方有一个发光体的恒星，其光线朝我们地球射来，但是被另一个巨大天体给挡住了，原则上来讲，我们就看不到远处天体射出来的光。但因为大天体的质量都非常大，因此经过其周围的光都会发生偏转，如果大天体大到一定程度，即便发光体本身被大天体所挡住了，我们也依然可以从大天体正面看到这个发光体的光。
天体如果是完美的球形，那么每个方向上弯曲的光应该是一样的，如果大天体背后的发光体也是球形，那么通过这种大天体对光的弯曲作用，我们是能够看到一个发光的环。
如果大天体背后的发光体不止一个，可以想象一下，大天体背后的光都会发生弯曲。这样一来，我们会看到大天体周围的图像都是经过扭曲的，且有些眩晕。
Part 13
爱因斯坦的幸运
而这样的大天体，当时的天文学家就想到了太阳，因为它足够大，但是，太阳光本身就发光，其周围的星光都被自身散发出来的光给遮盖了，这可怎么办呢？
天文学家想到了一个极端的情况，就是日全食。日全食的时候，月亮会挡住太阳光，使我们可以看到太阳周围的星光。如果事先算一下，哪些远处的恒星应该在太阳背后，理论上来讲我们是看不到的，但我们却看到了，这不就说明太阳弯曲了星光的路线吗？
可能是老天眷念爱因斯坦，就在爱因斯坦发表广义相对论没几年，天文学家算出了，1919年5月29日，就会有一次月全食。爱因斯坦发表广义相对论是在1915年，计算光线弯曲的结果是在1916年，这两年，整个地球还在打一战，如果一战迟迟没有结束，那么天文学家要安心观测1919年的日全食，是相当困难的。幸运的是，一战在1918年就结束了。
英国天文学家爱丁顿为了验证广义相对论，专门说服了英国政府拨了一笔钱，组织了两个观测团队，一个去了巴西，一个去了非洲。
据说，爱丁顿选择的这两个地方，在日全食发生的几天前都是阴天，不过在日全食即将发生前的那么几分钟前，那两个地方太阳所在的位置的云才散开了。爱因斯坦的运气，确实是好。
爱丁顿的团队果然看到了原本不该出现的光，日全食发生的时候，太阳周围正好是毕宿星团的星星，特别亮，特别耀眼，特别容易被观测到，若是换成其他一个星团，可能就没这么明显。
从这一天起，爱因斯坦才算是一战成名，跻身进了当时大牛的行列。
全世界的新闻记者纷涌而至，全球的个儿大报纸也在争相报道。英国的《泰晤士报》更是为此取了一个夸张的标题“科学革命——宇宙新理论——牛顿理论大崩溃”。据说，最可爱的还属于美国人，《纽约时报》不知什么原因，派出了一个专门采访高尔夫球赛的记者去采访爱因斯坦，这个记者估计连牛顿的万有引力公式都记不住，他几乎把所有的知识都搞错了，而且错得离谱。回来后，文章是发表了，但可想而知，很多懂一点常识的美国人都会觉得爱因斯坦不靠谱，据说这是美国人接受相对论比别的国家较晚的原因。
注意一下时间，那次日全食是在1919年5月29 日，我很想去查一下当时中国的报纸都写了些什么，可惜没有那个机会。不过我猜想，那阵子的中国报，都载满了“巴黎和会”和“五四运动”的内容吧。也许那时候的中国，知道牛顿的人都是凤毛麟角吧。
不过，水星进动和引力透镜只是给出了广义相对论没有错误的验证，而且并非只有广义相对论能够解释水星进动和引力透镜。要想找到支持广义相对论的铁证，还得有其他过硬的证据。
这个过硬的证据有没有呢？有，就是引力波。
Part 14
支持相对论的铁证——引力波
根据广义相对论，有质量的物体会使周围的时空（空间+时间）弯曲。我们现在假设一下，虽然这个假设非常粗糙，而且只是一种神似，但没有这个假设，相信各位也看不懂。
我们假设这个宇宙处于一个平坦的，类似网球网一样的网上，地球放上去，会出现一个凹坑，如果大网上的地球质量发生了变化，那么这个网会发生一些轻微的抖动，下陷的深度也会发生改变，这个深度的变化会从中心迅速传递下去，但是不可能瞬间就抵达所有的边缘，这必然是一个传递过程。就像你朝着平静的水面扔出一块石头，石头掉进去的中心会形成一个波澜，这个波澜向外扩散也是需要时间的。
如果将水波换成光波，那么这个波澜的传递速度就是光速，这个波澜，也可以称为引力波。爱因斯坦在1916年和1918年分别发表了两篇论文预言了引力波的存在。
自从爱因斯坦预言了引力波之后，几乎整整一百年，还都只是一个猜想或假说。幸运的是，在襄子的有生之前，人类终于探测到了引力波，那是在2016年2月11日，地球上最大的引力波探测器LIGO正式宣布，引力波被找到了。
Part 15
爱因斯坦的迷茫
爱因斯坦在发表广义相对论之后，并没有闲着，他将目光放在了整个宇宙，他将整个宇宙当做一个整体来研究。结果，这一研究坏事了，爱因斯坦在深入研究广义相对论的引力场方程后，得出了一个自己无法接受的结论，宇宙不可能是稳定的。这也就是说，宇宙要么就是在膨胀，要么就是在收缩，总之方程的所有解都不可能得到一个稳态的宇宙模型。
现在的我们接受了宇宙是变化的，是膨胀的，似乎是一件习以为常的事。但对当时的人来讲，宇宙可以是无限的，但怎么说也得是稳定的。对于有情怀，有理想的物理学家来讲，整个宇宙应该是简洁的。爱因斯坦无法接受这样的结果，于是，他在方程中增加了一个“常数”。
有了这个人为添加进去的常数，宇宙就是一个稳态的宇宙了。
然而，几年后，一个叫哈勃的人敲碎了爱因斯坦的美梦。哈勃首先发现，在仙女座附近的一片淡得像云一样的薄雾，根本不是之前普遍认为的银河系中的尘埃云，在当时最新的大型天文望远镜里，这层淡淡的薄雾居然被发现是由数以亿计的恒星组成的，这也就是第一个被人类发现的银河系外星系——仙女座大星系。
很快，一个接一个的星系被我们发现，而且一个比一个距离我们遥远。哈勃接下来发现，宇宙中所有的星系和我们之间的距离都在不断增大，而且距离越远，跑得越快。
这告诉了我们，宇宙在膨胀。
Part 16
宇宙大爆炸理论
这也就是说，明天的宇宙会比今天的大，昨天的宇宙会比今天的小，那么越往前追溯，宇宙在初始的时候不就是一个很小很小的点吗？
一个叫勒梅特的比利时学者首先公布了“宇宙大爆炸”理论，几十年后，两个美国人在新泽西州的天线上，无意中发现了宇宙微波背景辐射，宇宙大爆炸理论才从猜想变成了一个有实验数据支撑的硬理论。
而那个宇宙诞生之初的小点，也被科学家称为“奇点”。
Part 17
尾声
呼呼，从最早的光速不变开始出发，我们走过了漫长的过程，实际上，也就短短几十年，似乎是打开了一扇前所未有的大门。这里面，几乎是爱因斯坦一个人的江湖。
相信各位也从小听了很多关于爱因斯坦的传闻，这里也就不多说了，将相对论过一遍，实际上也能侧面反映出爱因斯坦的伟大。他不仅是一个物理学家，更是一个思想家，他晚年的时候，一直在寻找一个漂亮而简洁的统一场理论，不过最终也没有实现。
从广义相对论出发，其实我们还可以引出黑洞，但恕在下目前有些疲惫，就像爱因斯坦完成广义相对论的所有内容后，写道：“让我好好休息一阵子，我实在是太累了。”
黑洞、宇宙大爆炸、M理论、平行宇宙、超弦理论等，我们留到下一个系列再讲吧，不然下一个系列就全是冷冰冰的冷战，就不好玩了。关于爱因斯坦，他并没有离去，他会在量子力学篇章再次出场，届时，我们再来看看爱因斯坦与波尔的辩论吧，极其精彩。
最后，借用爱因斯坦的一句话，以此来撬开各位内心对我们这个赖以生存的宇宙的敬畏与好奇，他说：“我想知道上帝是如何创造这个世界的。对于这个或那个现象、这个或那个元素的谱，我不感兴趣。我想知道的是他的思想，其他都是细节问题。”
万维钢曾经也写过一首诗，如今自己在捋了一遍相对论后，突然就深深地爱上了这首诗：
假如未来发生什么大灾变
让世界重归黑暗
人们不再钻研科学
拜倒在虚幻的神和压迫的权力之下
被偏见和狂热蒙蔽
只看到眼前的计较和平庸的善恶
我希望至少你、我
我们这几个人还记得
这个世界曾经拥有过爱因斯坦
拥有过相对论
这个美丽的理论
希望，当你下次抬头望向星空的时候，可以有一种不一样的感受。尊敬生命、敬畏生命、更要热爱自己这个短暂而又偶然的生命。请，一定要好好地爱自己。
此时此刻，我与你同在，这一片低速的星球上，让我们暂时忘掉那些不愉快与烦恼，尽情享受这美好的夜晚。啊，你的那些小烦恼，与整个宇宙相比，又算得了什么呢？
敬请期待：一篇文章带你进入量子力学