相对论解释太阳系扁平（天文冷知识浅谈相对论）

20世纪初，一位名叫阿尔伯特.爱因斯坦(Albert Einstein)的年轻瑞士专利局职员发表了相对论，永远改变了物理学和天文学的面貌。

1921年,阿尔伯特·爱因斯坦在维也纳的一次演讲中说。阿尔伯特·爱因斯坦(1879- 1955)是德国出生的理论物理学家和科学哲学家。他发展了广义相对论，这是现代物理学的两大支柱之一(与量子力学并列)。他在大众文化中最著名的是他的质能当量公式 (被称为“世界上最著名的方程式”)。1921年，他获得了诺贝尔物理学奖，“以表彰他对理论物理学的贡献，特别是他对光电效应定律的发现。”后者是建立量子理论的关键。

相对论也许是科学史上最成功的发展，就其与实验结果的一致性和预测新现象的能力而言--只有量子力学才能声称与它的成功竞争。爱因斯坦的理论立即解释了他那个时代物理学和天文学的一些主要问题，并继续解释90年前甚至没有被暗示的新发展，包括黑洞的存在和宇宙学的最新观测。

然而，接受相对论要求我们抛弃之前几乎所有关于字宙的概念，以及我们所谓的“常识”。对于居住在地球上的人类来说，空间和时间似乎是一个恒定不变的背景，宇宙的各种事件都是在这个背景下发生的。真空可以收缩、膨胀或弯曲，这取决于你离一个巨大的物体的距离，以及时间流逝的速度。空间和时间甚至可以因为那些测量它们的人而改变。时钟相对于你移动得越快，指针看上去就越小，滴答的速度也就越慢，

应用相对论

当我们研究物体(a)在强引力场中运动，或(b)接近光速时，就需要相对论。如果(b)是正确的，那(a)就不是,我们可以使用狭义相对论的一个更简单的版本。从历史上看，这是爱因斯坦最先提出的理论，而广义相对论则是后来才提出的。

在地球上的日常生活中，(a)和(b)都不是正确的，所以我们通常根本不用担心相对论。尽管如此，当需要极高的精度时，它的效果仍然很重要。例如，相对论最重要的应用之一涉及全球定位系统(GPS), 如果我们不考虑相对论效应，GPS就根本无法工作。如果你曾经使用过GPS接收器,那么你就直接从爱因斯坦的相对论中受益了！

在强引力场中运动

相对论最令人惊奇的一个方面是它完全改变了我们理解重力的方式。

重力和时空。艺术家概念重力探购器B环绕增味的量时空一个四维的字宙游述包括高度，宽度，长度和时间。

图片来源：美国国家航空航天局

科学家们早就知道重力是不寻常的。拿一堆木块，大的和小的，把它们从桌子上扫下来;它们会以相同的速度下落，同时撞到地面。把一块金属粘在它们身上，用磁铁吸引它们，它们会以不同的速度移动。试着用绳子拉它们，你必须用力拉才能使较大的物体加速。为什么引力，而且仅仅是引力，能够自我调节，以同样的速度把一切物体拉向地球?

爱因斯坦以革命性的方式回答了这个问题。根据爱因斯坦的理论，引力不是一种拉物体的力。相反，它是空间和时间的弯曲，是由附近一个巨大物体(如地球)的存在造成的。当有东西经过这个巨大的物体时，它看起来会被拉向它，但实际上，它根本没有被拉。它实际上它沿着与它在真空中移动时相同的直线移动，但由于重力对潜在的“时空”连续体的扭曲，这条直线现在看起来像弯曲的。

弯曲空间:一个简单的类比

如果上面的段落没有意义（这是不可能的!)考虑一下下面的类比，它与你更习惯的“弯曲空间”有关：地球表面。假设你在纽约的伊萨卡(康奈尔大学的所在地)，想去意大利的罗马旅行，那里大约在伊萨卡正东，距离地球四分之一的距离。你可能认为去那里最好的方法是向东走，一直往前走，直到你到达罗马，如图中红色的路径所示:

事实上，如果你开始向东走,继续往前走，小心地把一只脚放在另一只脚的前面，你就会走那条蓝色的路。当你到达遥远的东方罗马时，你将在西非的某个地方，接近赤道! (如果你不相信这句话，用个地球仪和根绳子试试。把绳子拉紧，这样绳子就必须是直的，然后把它从东到西穿过纽约。绳子的其余部分将穿过非洲并穿过赤道，就像上面地图上的蓝色路径一样。)

这是怎么回事?没什么太复杂的，真的。众所周知，地球表面是圆的，但当我们试图在二维地图上表示它时，我们必须把它“变平”。在这个变平的过程中，事情变得一团槽，一些实际上是直的线(比如蓝色的路径)看起来是弯的，而一些实际上是弯的线(此如红色的路径)看起来是直的。

来自哈勃的马蹄形爱因斯坦环。什么东西又大又蓝，能绕着整个星系转?引力透镜海市蜃楼。

资料来源：欧洲航天局哈勃太空总署

上图中，一个发光的红色星系(LRG)的引力扭曲了来自更遥远的蓝色星系的光。更典型的情况是，这样的光弯曲导致形成了两个可辨认的遥远星系的图像，但这里的镜头对准的是如此的精确，背景星系被扭曲成一个马蹄形----一个几乎完整的环。由于这种透镜效应在70多年前就被阿尔伯特·爱因斯坦详细地预言过，所以像这样的环现在被称为爱因斯坦环。根据爱因斯坦的理论,同样的事情也发生在大质量物体附近,只有曲率发生在四维空间(我们生活的空间加上一维空间)，而不是二维空间(地球表面)。大型物体附近的空间和时间是“弯曲的”，但我们无法直接感知到这一点， 因为我们只能看到三维的东西。因此，我们大脑假设空间是平坦的，在这个假设的过程中 ,事情就搞砸了 。实际上沿着直线运动的物体，在我们脑内构造的“地图”中，会出现沿着曲线运动的物体，并被附近巨大的物体所拉。

一旦你习惯了，这种看待重力的新方法实际上是非常自然的！你见过宇航员在环绕地球的轨道上吗?它们看起来像被什么东西拉着吗? 不，他们不是。他们体验着失重，如果他们不往窗外看地球，他们可以合理地推断出他们的飞船漂浮在远离地球引力的真空中。根据爱因斯坦的理论，这是一个非常合理的结论，因为这两种情况是等价的！无论是在太空中漂浮，还是绕地球运行，宇航员都沿着同一条直线运动。事实上，我们也可以体验失重，如果不是因为地球表面阻止我们沿着直线下降到地球中心的话。爱因斯担说，我们感觉到的不是重力，而是地面在我们的脚上向上推。

弯曲空间和时间的影响

Abell 2218星系团的引力创造了巨大的透镜。美国宇航局的哈勃太空望远镜最到了一个巨大的宇宙放大镜。这是一叫Abell 2218的巨大星系团。

资料来源:NASA

星系团的质里如此之大，其巨大的引力场使穿过它的光线发生偏转，就像光学透镜使光线弯曲形成图像一样。这种现象被称为引力透镜。它放大、变亮并扭曲来自遥远物体的图像。星系团的放大率提供了一个强大的变焦镜头，用来观察通常无法用最大的望远镜观测到的遥远星系。这一有用的现象产生了贯穿哈勃照片的弧形图案。这些“弧”是非常遥远星系的扭曲图像，它们的距离是透镜星系团的5到10倍。爱因斯坦预测的弯曲时空有一些惊人的结果，其中许多已被实验证实。也许其中最著名的是引力使光弯曲的能力，当光穿过一个巨大物体附近扭曲的空间时。

1919年，阿瑟.爱丁顿首次发现了这种效应，这一事件使爱因斯坦在国际上一举成名。爱丁顿最初的结果现在被认为是有争议的，但是改进的技术已经惊人地证明爱因斯坦的预测是正确的。近年来，天文学家不仅证实了引力使光弯曲的能力，而且还发现了非常有力的间接证据，证明黑洞的存在。黑洞是一种能使光弯曲到无法逃逸的物体。

爱因斯坦理论的另一个重大成功之处在于，它解决了他那个时代的天文学家在理解离太阳最近的行星水星轨道时遇到的一些严重问题。有些人认为一定有另一颗看不见的行星(他们称之为火神星)，它的引力影响着水星的轨道，但爱因斯坦指出，一旦把相对论考虑进去，所有的问题都消失了。

还有一些有趣的效应与相对论预测的“弯曲时间”有关。这种效应通过使时间在一个巨大物体附近变慢而表现出来，以至于如果你看到有人掉入黑洞，你会看到他们的时间完全停止，他们会“冻结”并逐渐消失。重力使时间变慢也会影响光波的频率，从而影响它们的颜色。当光接近一个巨大的物体时，它会变得更蓝，当它离开时，它会变得更红。1960年，罗伯特.庞德(Robert Pound)和格伦.雷贝卡(Glen Rebka)首次观察到这种效应。他们将伽马射线射向建筑物的顶部，并测量它们在远离地球时的颜色变化。

也许爱因斯坦理论最令人兴奋的成功来自于这个世纪，LIGO在2016年宣布，2015年9月首次观测到来自两个黑洞的灵感和合并的引力波！这代表了物理学上的一个巨大的里程碑，因为它首次证实了该理论的强场体系（而不是地球或太阳的弱场体系）。不久之后，LIGO的创始人因为这一发现获得了诺贝尔物理学奖，从那以后，又有几顶新的发现被报道出来。

以接近光速运动

上面已经讨论了相对论的一些最有趣的方面，但是相对论的第一部分(狭义相对论)是在没有考虑重力的复杂影响的情况下发展起来的。

事实上，爱因斯坦发展狭义相对论是为了应对他那个时代的物理学家所面临的一个简单问题。它只需要高中数学就能理解。爱因斯坦的贡献不是数学上的才华，而是愿意去思考那些大多数人认为荒谬的想法，甚至不去思考它们。

光速不变

在19世纪，物理学家解释了电磁学定律，要求宇宙有一个“首选的参照系”，即光在其中传播的参照系。正如你在一辆与空气相对运动的汽车里感觉到风吹得更快一样，物理学家们也认为他们会看到光运动得更快（或稍慢），这取决于地球在空间中的运动如何与光在其中运动的无形介质或以太相吻合。

然而，在19世纪80年代，阿尔伯特.迈克尔逊和爱德华.莫利的实验显示了一些非凡的东西--以太似乎根本不存在当地球绕着太阳运行时，它的方向会改变，所以它相对于以太的速度也会改变。但是，当迈克尔逊和莫雷仔细测量了一年中不同时间、不同方向的光速时，他们发现它们总是相同的。

这些结果确实有看奇怪的含义。

想象一下，当在高速公路上的车道上行驶时，试图测量卡车的速度。卡车开得比你快一点，所以你可以看到它在爬行——首先它赶上了你的后轮，然后又赶上了你的后门。突然，你决定猛踩刹车。不过，卡车并没有从你身边飞驰而过，而是继续向上爬——现在它与你的前门对齐了。你踩下油门，卡车就不会落在后面，它会继续爬过你的前轮胎。最后，你完全停下你的车，然后下车——卡车仍然缓慢地驶过。

看起来卡车一直在跟踪你的一举一动，但是你会和一个在卡车另一边第三车道上行驶的朋友比较特征。她认为卡车一直在跟踪她，即使她开车和你完全不同———在你停下来的同时快速前进，在你加速的同时减速！似乎不可能？也许可以，但迈克尔逊.莫利的实验证明，如果卡车的行为像光束，这正是他们将要做的。

爱因斯坦的简单的解决方案

许多物理学家寻找复杂的方法来否定迈克尔逊和莫雷的结果，但爱因斯坦做了一些不同的事情——他只是表面上接受了这些结果，并问如果光真的以如此奇怪的方式运动，会产生什么后果？

爱因斯坦意识到，为了使光速保持不变，就像所有观察者看到的那样，其他所有人一直认为是恒定的东西也必须改变。两个人相对对方移动的速度越快，他们对交通灯(或上面例子中的卡车的意见就越不一致，他们就越觉得对方一定有什么不对劲。爱因斯坦指出，看起来不协调的东西必须是长度和时间一每个人都会观察到另一个人沿着运动的方向收缩，他们的时钟走得更慢。

尽管这些结果看起来很奇怪，但它们并没有与其他物理定律产生任何矛盾，反而增进了我们对它们的理解。事实证明，如果我们接受狭义相对论，电磁学就不再需要任何一种“首选参考系”来运作。相反，它在您选择的任何参考系中都能正确工作，没有一个比其他的更受欢迎，并且不同参考系相对于彼此的运动速度是真正相对的，而不是绝对的。

图解：光锥是闵可夫斯基时空下能够与一个单一事件通过光速存在因果联系的所有点的集合。

从爱因斯坦的简单观察中，我们得到了许多更为深刻的见解，其中包括质量和能量的等价性(用著名的公式E=表示) 以及信息传播速度永远不会超过光速这一事实。这些想法和其他想法每天都在世界各地的粒子加速器中得到证实，在许多其他实验中也是如此。

然而，从狭义相对论中得出的最重要的见解或许是，空间和时间并不是宇宙神圣不可变的背景，而是可以改变的东西，从一点到另点，从一个人到另一个人。正是这种洞察力为广义相对论及其对引力的激进解释铺平了道路，其影响至今仍能感受到。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. curious

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