深度长文：爱因斯坦是如何构建广义相对论的？(近5000字建议收藏)
深度长文：爱因斯坦是如何构建广义相对论的？(近5000字建议收藏)
爱因斯坦是如何从狭义相对论过渡到广义相对论的？这个问题的答案隐藏在对"等效原理"的深刻理解中。本文将带你一步步探索这个物理学史上最具革命性的思想转变过程。
很多人都知道，狭义相对论有两个基础，光速不变原理和狭义相对性原理。光速不变原理之前说了很多了，今天重点聊一聊狭义相对论原理。
这个原理说起来也很简单，但要深入研究下去，其实也不简单，爱因斯坦构建广义相对论的灵感正是源于对狭义相对论原理的深入思考。具体是怎么回事呢？
让我们先从狭义相对论原理说起。
通俗理解这个原理就是：运动是相对的，必须有参照物才有意义。对于这一点，其实牛顿力学和狭义相对论都是认同的，没有异议。
但这只是表面，当我们进行深入思考之后，就会发现并不那么简单，会发现牛顿力学似乎一下子就被打趴下了。下面就举例来说明。
学生时代上物理课时，关于运动与静止的描述，老师经常会给我们举这样的例子。你和朋友驾驶一辆小汽车，我静止在地面上。
在我眼里，也就是以我为参照物，会认为你在快速运动。而如果我以你为参照物，认为你是静止的，那么我自己就在运动了。
同样地，你以自己为参照物，也会认为我在运动。而如果你以我为参照物，当然会认为你自己在运动。
这在牛顿力学体系中很好理解，毕竟只是参照物选择不同造成的不同结果而已。
但是，如果你突然急刹车，当然会感觉到明显的减速，同时你自己的身体也会瞬间向前冲，还有前面有什么力在拉着你，当然我们知道这就是惯性作用，那个拉着你的力就是假想中的“惯性力”。
这看起来并没有什么，都是我们熟悉的节奏。但你有没有想过这样的问题：为什么是自以为静止的你感受到这种力，而不是自以为运动的我感受到这种力呢？
这个问题看似有些无厘头，但很多发现其实都是通过无厘头的发问无意间发现的。而且，这个简单的问题不仅牛顿力学解释不了，狭义相对论也束手无策。
爱因斯坦当然明白，狭义相对论一定有局限性，因为狭义相对论的基础是“惯性系”，但现实中并不存在真正的惯性系，因为引力在现实中无处不在。如果突破打破这种局限性呢？爱因斯坦进行了深入思考。
在那个年代，麦克斯韦已经完成了对电磁场的统一，明白了电力和磁力其实都是通过场来实现的，也就是说，场其实就是物质作用的介质，当时的主流物理学界并不认为有“隔空取物”这种超距作用。
那么，按道理讲，万有引力也理应如此。其实牛顿一开始并不这么认为，他认为引力是瞬时传递的，不需要任何时间。不过后来物理学界大佬发现了牛顿力学体系与电磁场理论出现了不协调，便假设了万有引力也是需要介质的，只是这种介质不是场，而是以太。
也就是说，宇宙到处都充满了以太这种物质，以太就是引力传播的介质。万物为什么会落到地面而不会往天上飞呢？就是因为地球对万物的吸引力通过以太传给了万物，万物就不会飞到天上而会降落到地面上。
但在爱因斯坦看来，并不是这样的。爱因斯坦也认同万物确实受到了地球的引力，但引力并不是通过以太传递的，因为以太的概念已经被实验否定了。爱因斯坦一直对麦克斯韦的电磁理论情有独钟，明白了电磁力与引力一样，并不是瞬时传递的，而是通过电磁场这种介质来传递的。
那么，引力是否也是通过某种场来传递的呢？方便起见，把这种场定义为“引力场”。
如果引力场果真存在的话，它的基本属性也应该与电磁场一样。一个电荷的受力大小是由其所处位置的电场强度决定，那么一个物体受到的引力大小也应该由引力场强度决定的。用公式表达出来就是：引力等于质量乘以引力场强度，这里的质量指的是引力质量。
说到引力质量，很多人就会下意识地联想到一个公式：F=ma，也就是牛顿第二定律，还有一个就是万有引力定律公式。两个公式中都有质量，我们把第一个公式中的质量称为“惯性质量”，而把万有引力公式中的质量称为引力质量。
为何F=ma中的质量是惯性质量？道理其实很简单，同样的力施加给不同的物体，表现出来的加速度并不一样，原因就在于质量大小不同带来的惯性大小差异。结果就是，惯性越大，物体的加速度就越小。因此我们把F=ma公式中的质量叫做惯性质量。
而万物除了有惯性之外，还有引力，所以万有引力公式中的质量叫做引力质量，这种质量表示的就是万物之间吸引程度的度量。
不过，一般情况下，我们会默认惯性质量就等于引力质量，在高中物理课上都是如此。其实很多并不知道，在爱因斯坦的年代，没有哪个物理学大佬敢断言惯性质量一定等于引力质量。
话说回来，引力既然等于引力场强度乘以引力质量，而通过公式F=ma我们又可以得出物体受到的力等于惯性质量乘以加速度，那么两个公式换算之后就是引力场强度乘以引力质量等于惯性质量乘以加速度。
也就是说，加速度等于引力质量除以惯性质量与引力场强度的乘积。
而在地球表面，重力加速度基本上是个常数，因此只有当引力质量与惯性质量的比值是个常数，物体在自由落体过程中的加速度才会只与引力场强度相关。
而地球表面的引力场强度几乎不变，所有重力加速度也基本固定在9.8。
其实在爱因斯坦之前，已经有科学家意识到了惯性质量与引力质量存在着某种关系，并试图计算出两者之间的换算关系，得出了两者是等价的这样的结论。但由于这个结论只是实验的结果，没有理论上强有力的支持，所以在当时并没有引起重视。
而爱因斯坦经过深入思考之后，大胆提出了“惯性质量与引力质量等效”，也就是“等效原理”，同时把这个原理当做一个基本公设，也就是公理，并以这个为公理撬开了广义相对论的大门。
何为公理？说白了 就是假设！当然不是拍脑门随便臆想出来的假设，而是在大量客观事实的基础上，经过深入思考提出来的假设。既然是公理，就不需要去证明，也无法最终证明，只需要通过实验论证就可以了，不符合人们的日常生活经验也没关系，毕竟人们的生活经验都是有局限性的。
看到这里，不要天真地认为：“等效原理”太简单了，我也可以提出来啊！
这种想法就是典型的马后炮，以我们如今的眼光和认知去衡量一百多年前的爱因斯坦时代？这也太不公平了。要知道，当年的爱因斯坦几乎完全凭借一人之力，提出了等效原理，而且还是思想实验，根本没有条件做实验来证明。
也就是说，爱因斯坦就是凭借颠覆性的思维硬生生地想出来等效原理的，用大脑在做实验。那么等效原理到底是如何推导出广义相对论的呢？又是如何推导出时空弯曲的呢？
我们都知道，光线经过大型天体附近时会发生弯曲，其实对于这种现象的解释，牛顿和爱因斯坦是一致的，都是认为光线受到了引力作用。但是爱因斯坦对这个问题还有更深刻的认知，也因此让他触摸到了引力的本质。
下面就一起放飞我们的思想，一起来做思想实验。
你站在地面上，手里拿着一个苹果，当然能感受到苹果的重量。你松开手，苹果就会坠落，这是很自然的事情，在我们日常生活中太常见了，我们也都习以为常了。
现在，再想象另一种情况，你乘坐宇宙飞船，以9.8的加速度垂直地面向上飞行，而且你手里同样拿着一个苹果。这种情况下，会有什么感受呢？
你当然会感受到一种加速度，这种加速度是飞船底部的支撑力造成的，而苹果也会有加速度，是你手掌的力产生的。而如果你再次松开手，会看到苹果也会坠落，同样是自由落体往下坠落。
原因很简单，没有了手的支撑力，苹果就会做惯性运动，而飞船仍旧以9.8的加速度飞行，结果就是飞船底部以这个加速度碰到苹果。反过来讲就是，苹果以9.8的加速度落到飞船底部。
这种思想实验很好理解。更深层的思考是这样的，如果你身处一个完全密闭的箱子里，箱子以9.8的加速度垂直向上飞行，无论如何你都不可能知道这个密闭的箱子到底是一直在加速飞行，还是静静地待在地面上！
因为两者是等效的，你在密闭箱子里的感受与静止待在地面上的感受完全相同！
上面的思想实验并不难理解，只是很难有机会亲身体会一下。其实说来也不难，塔吊大家应该都见过，在塔吊去吊集装箱的时候，如果你就在集装箱里，塔吊把集装箱吊起来之后，你在集装箱里的感受与在地面的感受并不会有任何不同。
因此，我们也可以这样理解，我们受到的地球引力，其实可以通过加速度表现出来。所以，如果把地球拿走，只要给我们施加一个同样的重力加速度，我们就会有站在地面上一样的感受。
说来说去，还是那句话：惯性质量与引力质量等效。
慢着，如果你认为到这里就结束了，就太小看爱因斯坦了，接下来还有大招。
让我们继续思想实验，不过这次的思想实验不再用苹果，而是把苹果换成手电筒，手电筒可以发出光，而爱因斯坦一直以来对于光都是非常痴迷的。
同样，你在一个密闭的箱子里，就假设是集装箱吧。集装箱以9.8的加速度垂直向上飞行，你打开手电筒垂直照射到集装箱侧壁上，会看到手电筒发出的光沿着水平方向射向集装箱的墙壁上。
那么对于地球上的我来讲，会看到怎样的情形呢？
答案并不难。由于集装箱以9.8的加速度飞行，而根据光速不变原理，光速是恒定的，而集装箱是匀加速运动，所以我会看到光线向加速度的反方向飞去，结果就是一个平抛的路线，光线是弯曲的，而不是水平的。
而之前也一再强调，以9.8的加速度垂直飞行，就相当于静止在地面上不动。那么集装箱在太空以9.8 的加速度飞行的效果就相当于把集装箱放在地面上静止不动。既然两者是等效的，也就意味着，我们看到静止在地面上的集装箱里发出的光同样是弯曲的。
当然，我们肉眼肯定分辨不出来，因为地球质量太小，对光线的弯曲程度也很小。
但还有一个问题：为什么光线弯曲就意味着时空弯曲呢？
要理解这个问题，一定要记住“光速不变原理”，光速是绝对的，不管任何观察者，也不管任何运动方式，光速都是不变的。
刚才我们已经说了，对于同样一束光线，不同状态下的你和我看到的结果却是不一样的。集装箱里的你会看到平直的光，而我看到了弯曲的光。
这就意味着，对于我来讲，光线到达集装箱侧壁的距离要更长，但是光速是不变的，时间等于距离除以速度，所以，在我眼里，光线到达侧壁所需时间更长。
也就是说，对于同一个事件，你和我对时间的感受是完全不一样的。
这也就意味着，假设没有加速度作用，时空本来应该是平直的，但加速度运动就会让平直的时空发生改变，成为相对时空，也就是弯曲的时空。
而根据等效原理，加速度与引力是等效的，因此爱因斯坦大胆提出引力其实就是时空弯曲，是时空弯曲的表象，时空弯曲才是本质。
通俗来讲，引力其实是不存在的。凭借这点，爱因斯坦成功把狭义相对论中的“惯性系”扩展到所有的“参照系”，因为在局域参照系里，可以通过等效原理把引力消除掉，没有了引力的限制，宇宙中所有的参照系几乎都是“惯性系”。
以上就是爱因斯坦通过等效原理提出广义相对论的过程，当然洋洋洒洒几千字并不能准确表达爱因斯坦的构思过程。如果没有丰富的基本物理学知识储备，即便再天才的大脑，也不可能触发“等效原理”这个伟大的构想。
虽然，爱因斯坦的广义相对论推翻了牛顿的绝对时空观，但不可否认的是，爱因斯坦也是经过对牛顿经典力学深入思考之后，才有了后来的灵感，从这点来讲，爱因斯坦也是站在了牛顿这个巨人的肩膀上提出来的广义相对论。
最后再说一点，其实爱因斯坦早在1911年就提出了等效原理，把引力引入到相对性原理中，但直到4年后的1915年才最终提出了广义相对论。这是因为时空弯曲理论并不像我们想象的那么简单，想要把时空弯曲量化，就需要准确描述时空弯曲的曲率，这就需要丰富的数学知识。
毕竟爱因斯坦虽然牛逼，但也不是无所不能，他本人并不是数学家，最终也是在数学家希尔伯特的帮助下，利用当时最前沿的张量分析，才推导出了伟大的引力场方程！
由此可见，任何伟大理论的创建都不是一朝一夕能完成的，不仅需要丰富的物理学知识沉淀，也需要好奇心和勇于探索的决心。其实很多科学发现的灵感都源于我们日常生活，为什么牛顿爱因斯坦等人能捕捉到这种灵感呢？
就是因为他们没有被我们的日常生活经验所束缚，而大部分人早就日复一日的生活中麻木了，对日常生活中的常见现象会下意识地忽略掉，比如说太阳的东升西落，还有万物总是会落向地面而不是飞向太空，大部分人根本不会去问为什么。
如今我们当然知道万物为何总是会下落，但如果在一千多年前的古代时期，你去问古人“苹果为什么会落地而不会向上飞？”，古人肯定会认为你是疯子，甚至会把你送到疯人院里！
所以，不管什么时候，永葆好奇心，不要理所当然地认为某种自然现象就应该如此。尤其是对待孩子看似无厘头的问题，要鼓励他们提问而不要因为自己不会而失去耐心，甚至直接打压孩子的问题，否则长期以往，孩子的好奇心和探索欲望会被一点点磨灭消失。
完！