不知道你親眼見過鯨魚沒有。我在海洋世界看過鯨魚的表演。有的動物可愛，有的動物兇猛，而鯨魚給我的感覺跟別的動物完全不一樣。鯨魚的身體那么大，曲線那么美，姿態又是那么優雅。鯨魚游來游去，有時候還活潑地向觀眾拍打水花。可是我坐在那里，感覺它們好像是比人類更高級的存在，有如神明一般。

廣義相對論給我的感覺就是這樣。大，而且優雅。

廣義相對論是一個美麗的理論。

牛頓的引力公式過于直白，沒有內涵。我們應該慶幸自己生活在一個廣義相對論主導的宇宙里。廣義相對論的數學特別難，思想卻是簡單的，只是非常深刻。想想它的來龍去脈，它意味著什么，它能推演出什么東西，其樂無窮。

咱們還是先來一點鋪墊。講狹義相對論的時候我們已經看到，愛因斯坦喜歡給你設定一兩條最簡單的原理，然后不管推導出來什么怪異的結論你都得接受。廣義相對論也是這樣。

.廣義·相對性原理

狹義相對論的緣起是一個危機。物理學家搞不清楚光速到底是相對于誰的。一個問題等了18年，等愛因斯坦長大了，才給解決。但是廣義相對論可不是這么來的。廣義相對論，是愛因斯坦自己提出來要干的事兒。

1905年，剛剛發表了狹義相對論，愛因斯坦就已經開始思考廣義相對論，用了十年才最終完成。那他想要的是什么呢？

我們知道狹義相對論的出發點是“相對性原理”：

一切勻速直線運動或者靜止的坐標系下，物理定律都是一樣的。

現在愛因斯坦想的就是，為什么非得限制成“勻速直線運動”呢？為什么*加速*運動就不行呢？物理學中的速度不但有大小而且有方向，所謂“加速運動”，就包括了像圓周運動、拐彎、變速等等各種運動。有了一個加速度，就可以描寫所有“瞬時的運動”了。

所以愛因斯坦說，我能不能把相對性原理再推廣一下，改成 ——在所有的坐標系下，物理定律都是一樣的。

這就叫“廣義的相對性原理”。這個思路很有哲學味道，但是它蘊含著顛覆性的新物理學。

當時并沒有人給愛因斯坦提這個需求，那時候別的物理學家都還在消化狹義相對論。

但是，我想你容易理解愛因斯坦這個思路。這就好比說我已經統一了中國，那我下一步是不是應該征服全世界呢？其實，當時世界人民并沒有表現出想被你征服的強烈愿望，是愛因斯坦自己非得這么干。

為此，愛因斯坦必須弄清楚“引力”。

.加速和有引力

讓愛因斯坦取得突破的首先是這么一個思想實驗。想象你站在一個像電梯一樣的長方形的封閉飛船里。在你腳下有個火箭，給你提供一個推力，讓你一直向上加速運動。

你可以想象這種運動跟勻速直線運動截然不同。在勻速直線運動里你是自由的，但是加速運動里你會感到一個力。我們坐車的時候都有過這種感覺，車一加速，你會有一個推背感。

那么愛因斯坦就問，我在飛船上做加速運動的時候，感受到火箭的推力，這種感覺，和我站在地面感受到地球的引力，有什么區別嗎？

地球引力給我們的感覺是實實在在的。你站立的時間長了會覺得累，就算躺在床上，后背也會有一個壓力。可是在飛船上也是這樣，加速會給你一個推力的感覺。

在地面，如果我讓一個小球自然下落，它在引力作用下會越落越快，加速沖向地面。可是我在火箭里也是這樣 —— 我放開小球，小球就自由了，但是火箭在往上走，火箭的地板會加速沖向小球：在我看來，這完全等同于小球加速沖向地面。

一個是加速向上的火箭里，一個是站在地面靜止。牛頓會認為這完全是兩回事，運動狀態不一樣，受力情況也不一樣，前者你只受到火箭的推力，后者你同時受到地球的引力和地面的推力。

但是愛因斯坦說，我在飛船內部做實驗，明明觀測不到任何區別。

.自由落體和沒有引力

我們再看一個思想實驗。愛因斯坦想的原始版本是，想象你在一個電梯里，電梯突然間失控，以自由落體的形式往下墜落，你想想那是一個什么感覺。

答案是你會感到“失重”。當然電梯這個想象有點不吉利，咱們換一個對現代人來說更直觀的場景。太空的空間站，繞著地球在做圓周運動，其實跟墜落的電梯一樣，都是自由落體。只不過空間站有個很高的水平速度，它不會真的掉下來。

自由落體運動中的物體處在失重狀態。我們看宇航員就是失重的，他們可以在空間站里漂浮，他們不分上和下。他們如果把水滴放在空中，水滴不但不會下落，而且還呈現一個完美的球形。

這給了很多觀眾一個誤解，以為是太空沒有引力。其實空間站的高度跟地球半徑相比不算什么，太空的引力并不比地面低多少。你在太空之所以感覺不到引力，是因為你是在做自由落體運動！

宇航員繞著地球轉也好，電梯從高層掉落也好，它們都是自由落體，都會失重，也都是“加速運動”。別忘了，速度不但有大小，而且有方向。圓周運動的速度大小可以不變，但是方向一直在變，它跟勻速直線運動有本質的區別。所以，圓周運動也是一種加速運動。

好，那愛因斯坦問，這種運動中的失重感，跟我在一個遠離一切星球、做一個完全不受外力影響的勻速直線運動，有什么區別嗎？

牛頓會說當然有區別！前者是引力作用下的加速運動，后者是沒有外力時的勻速直線運動！

但是愛因斯坦說，我身處那樣的環境，不管做什么實驗，都無法發現兩者的區別。

這就很有意思了。之所以沒區別，這里邊蘊含著一個你想不到，但是在物理學家看來是極其怪異的事實。

.巧合

咱們先想想這個問題：

為什么自由落體明明是個加速運動，可是愛因斯坦卻說它跟勻速直線運動沒區別呢？因為自由落體狀態下所有物體的加速度都是一樣的。

我們高中學過，地球上任何一個物體，無論是蘋果，桌子，還是一個胖子，他們如果從高空掉下來，所有物體的加速度都是一樣的，你可能還記得那個數字，加速度都是9.8m/s2

只有這樣，當你在空間站中把一個小球懸浮在空中的時候，它才會一直停留在你身邊，它會跟著你一起動。如果小球和你的加速度不一樣，你們兩個就會迅速分開，你就會覺察到現在不是勻速直線運動，對吧？

好，那為什么自由落體中所有物體的加速度都一樣呢？因為地球引力對所有物體一視同仁。

那為啥會一視同仁呢？你以前學高中物理的時候是先默認了一視同仁，現在我換個講法你就發現其中的問題了。

牛頓力學告訴我們，一個物體受到力，是導致它產生加速度的原因，力 = 質量 × 加速度。受力帶來的加速度大小跟這個物體的質量有關系，對吧？這個質量，我們先稱之為“慣性質量”。

牛頓引力公式又告訴我們，每個物體感受到的地球引力的大小，也跟這個物體自身的質量成正比，對吧？這里又有一個質量，這個質量，我們先稱之為“引力質量”。

中學老師一上來就告訴你“質量、質量” —— 可是你想過沒有，這兩個地方出現的質量，為什么是一樣的呢？換句話說，為什么“慣性質量”非得等于“引力質量”呢？

這是一個完全合法的疑問。慣性質量決定了力怎么給物體帶來加速度 —— 任何形式的力都可以，電磁力帶來加速度也是用這個質量算，這里面跟“引力”并沒有天生的關系。引力質量僅僅是引力的一個性質，決定了一個物體受到的引力大小，也就是“重量”。

我們小時候總是默認質量就是重量，越重的東西就越不容易推動，其實它們是兩回事。你想想，比如這里有一個胖子，他的“重量”是個向下的東西；而你要推他容不容易推動，那是一個水平方向上的故事。加速度可以是任何力在任何方向的結果，引力可是只有一個方向，那這兩者為什么一樣呢？

說到這里，有一個相當經典的案例，就是傳說中的比薩斜塔實驗，伽利略證明了一輕一重兩個鐵球從高處落下來是同時著地 —— 也就是說，引力給它們的加速度完全一樣：

引力，很尊重小球的“慣性質量”。

伽利略當年論證為什么兩個鐵球必須同時著地，用了一個反證法。他說如果是越重的物體落得越快，那我們可以把一個輕的鐵球和一個重的鐵球粘在一起 —— 一方面，輕的鐵球應該拖慢重的鐵球，現在的下落速度應該比重的鐵球更慢一些；可是另一方面，現在你得到了一個更重的大鐵球啊，應該下落更快才對啊？這個矛盾表明，鐵球的下落速度應該跟輕重無關。

伽利略這個論證其實站不住腳。伽利略默認了引力給加速度的時候*只看*重量 —— 或者說，引力給重量的時候*只看*它們的加速性能。可是引力憑什么這么干？

慣性質量正好等于引力質量這件事，現代物理學家能給的最好解釋，是……純屬巧合。

物理學家在真空中精確測量過兩個鐵球是不是同時落地，在月球上都做過這個實驗，結果都是慣性質量精確地等于引力質量。我們不知道為什么這個世界是這樣的，但是它就是這樣的。

你馬上就能想到，這跟“光速不變”好像很像：

你再想不通，也得接受。

.愛因斯坦的斷言

廣義相對論的出發點，是愛因斯坦的一個斷言 ——

在任何局部實驗中，引力和加速運動無法區分。

這句話叫做“等效原理”，它等于就是說“慣性質量 = 引力質量”。愛因斯坦說別問為什么了，這個世界就是這樣的。

在一個封閉的房間里，你說你正在地面待著享受引力，我可以說你其實是在一個加速運動的火箭里。你說你正在引力的作用下享受自由落體，我可以說你其實是處在一個不受任何引力影響的勻速直線運動中。

愛因斯坦說，只要這個房間的尺度不是超級大，你說的和我說的就沒區別。

那我們再想想，引力到底是個什么東西。站在地面上，你能切切實實感到引力的存在。可是只要你隨便做個自由落體運動，引力對你就不存在。

一個東西如果是真實的存在，它怎么可能在靜止坐標系下看就有，在一個加速坐標系下看就沒有了呢？愛因斯坦的新要求可是物理定律不管在什么坐標系下都一樣。

我們的結論就只能是，引力這個東西，其實是個幻覺。

……或者說的嚴格一點。在局部，引力根本就不存在。在大尺度范圍，引力根本就不是力……正如鯨魚不是魚。

那引力到底是什么呢？只有愛因斯坦能提出這樣的問題，也只有愛因斯坦能回答這個問題

未完待續