广义相对论与引力波

这两个理论说了一件什么事呢？

狭义相对论。狭义相对论的核心是时间与空间的一体性，二者结合为时空。在狭义相对论的世界观里面，时间和空间都不是独立存在的，二者是一体的关系。

基于这个观点，可以得到两个基本结论：光速不变原理和相对性原理。

光速不变原理，是说真空中的光速对于任何观察者来说都是相同的。 也就是说不论你在什么参考系上观察光，它在真空中的传播速度都是一个常数，299,792,458 米/秒。

这个观点与牛顿观点相悖。那么如果我们真的站在以光速级别飞行的航天器上观察光，会怎样呢？这就是相对性原理要说的了。

相对性原理说的是时间在宇宙各处的流逝都是相对的，而不是绝对的。这很难被理解，但确实是真实存在的现象。这里蕴含着一个时间膨胀效应，他指出时间在不同的惯性系之间是相对存在的，而不是绝对的。运动的惯性系时间要比相对静止的惯性系时间走得要慢，这就是时间的膨胀效应。通俗来讲，运动的钟比静止的钟走得慢，而且，运动速度越快，钟走越慢，接近光速时，钟就几乎停止了。这一结果来自于尺缩效应的数学方程式。

广义相对论则在此基础上走的更远，看的更透彻。

广义相对论的核心观点是，引力的实质是时空弯曲，也就是我们经常见到的类似蹦床的样子，巨大质量的物体（如恒星、行星等）“压”在四维时空中，就像三维空间一个铁球压在一块平整的海绵上，把海绵压得弯曲了。

行星或恒星的巨大质量会对时空的蹦床之网产生扭曲作用。在质量扭曲的四维时空中，物体也是遵循“最短路径”运动的，只不过它是沿着四维时空中的测地线运动。我们站在三维空间中看，就好像物体受到某种“吸引力”一样。这里所吸引的物体既包括实实在在的物体，也包括光。

这是一件看上去很“扯”的事。光会不走直线？那我们也没办法验证啊！这个时候人们想到了日全食：

看到这两张图相比大家都能明白如何用日全食证明光在弯曲的时空中不走直线。爱因斯坦也非常贴心地推算出下一次日全食发生的日期：1914年的8月21日。当时有两拨人报名观测，但是因为一战原因无果而终。

时间到了1919年，为了检验爱因斯坦的相对论，英国皇家天文学会派出了两支考察队：由戴森带领的一支，去巴西的索布拉尔（Sobral)，以及由爱丁顿带队的，去西非的普林西比岛（Principe）。

两支队伍的观测结果与爱因斯坦的理论预测相吻合。“爱因斯坦的理论经受住了考验！”

爱丁顿拍下的日全食照片

电影《爱因斯坦与爱丁顿》的剧照

广义相对论的魅力并没有止步于此。

我们都知道，波是信息传递的方式。小到滴水成波大到海啸，慢到声波快到激波，都是将空间突变信息向外传递以形成系统自恰的载体。

在爱因斯坦的广义相对论中，质量会引起时空扭曲。那么质量的突变是否也会引起时空扭曲的突变呢？

这就引出了广义相对论的另一个预言：大质量天体发生碰擦、超新星爆发等极端宇宙事件都会产生强大的引力波。

引力波就是时光弯曲中的涟漪，它通过波的形式从辐射源开始，以点为中心向外不断辐射传播信息和能量

但是这个引力波十分微弱。否则，在抖动的四维时空床单上，地球也将经历时空激变。

2015年9月14日，激光干涉引力波天文台（LIGO）物理感应到时空的波纹，该波纹由两个相距13亿光年的碰撞黑洞产生的引力波引起。

尽管产生引力波的过程可能非常剧烈且具有破坏性，但当波到达地球时，它们的体积要小数千亿倍！