广义相对论

广义相对论的根源

因为艾萨克·牛顿的定律重力在解释太阳系的行为方面，引力理论的作用如此之大，问题来了，为什么要发展一种新的引力理论呢?答案是牛顿的理论违背了狭义相对论，因为它需要一个未指明的“远距离动作”，通过该动作，任何两个对象，如太阳和地球——无论距离有多远，都能瞬间拉住对方。然而，瞬时响应将需要引力相互作用传播在无限速度，这是狭义相对论所排除的。

实际上，对于描述我们的太阳系来说，这并不是什么大问题牛顿定律对于相对于光运动缓慢的物体给出有效的答案。然而，由于牛顿的理论不能在概念上协调有了狭义相对论，爱因斯坦转向广义相对论的发展，作为理解万有引力的新方法。

的原则等价

为了开始建立他的理论，爱因斯坦抓住了他在1907年得到的一个见解。正如他在1922年的一次演讲中解释的那样:

我坐在伯尔尼专利局的椅子上。突然，我有了一个想法:如果一个人自由下落，他不会感觉到自己的重量。我吃了一惊。这个简单的思想实验给我留下了深刻的印象。这让我想到了引力理论。

爱因斯坦暗示牛顿时代就有这样一个奇怪的现象:不管一个物体的质量有多大，它落向地球的速度都是一样的加速度(忽略空气阻力)9.8米每秒平方。牛顿通过假设两种类型的质量来解释这一点:惯性质量运动进入他的一般运动定律，重力质量，进入他的方程力重力。他证明，如果两个物体的质量相等，那么所有物体都会以相同的重力加速度下落。

然而，爱因斯坦意识到一些更深刻的东西。一个人站在一根断了的电缆的电梯里，当电梯的外壳自由地向地球下落时，他会感到失重。原因是他和电梯都有问题加速以相同的速度下降，因此以完全相同的速度下降;因此，由于无法观察电梯外的环境，他无法确定自己正在被往下拉。事实上，他无法在一个密封的下降电梯里做实验来确定他是否在一个引力作用下场．如果他从手中放出一个球，球会以同样的速度下落，只是停留在他放出球的地方。如果他看到球向地板下沉，他也说不清这是因为他处于一个引力场的静止状态，引力场把球往下拉，还是因为一根缆绳把电梯往上拉，电梯的地板向球的方向上升。

爱因斯坦在他看似简单的等效原理中表达了这些想法，这是广义相对论的基础:在局部尺度上，即在一个给定的系统内，而不考虑其他系统，不可能区分重力和加速度的物理效应。

在这种情况下，爱因斯坦继续说道Gedankenexperiment，光肯定是受重力影响。想象一下电梯有个洞无聊穿过对面的两堵墙。当电梯静止时，一束光线进入其中一个孔，沿与地板平行的直线行进，然后从另一个孔射出。但如果电梯向上加速，当光线到达第二个孔时，开口已经移动，不再与光线对齐。当乘客看到光线没有穿过第二个洞时，他得出结论，光线是沿着一条弯曲的路径走的(实际上是a抛物线）.

如果光线在加速系统中是弯曲的，那么，根据等效原理，光也应该被重力弯曲，这与日常的预期相矛盾，即光将沿直线传播(除非它从一种介质传播到另一种介质)。如果它的路径被重力弯曲，这一定意味着“直线”在一个巨大的引力物体附近有不同的含义，比如a明星而不是空的空间．这暗示了引力应该被视为几何现象。