爱因斯坦的狭义相对论和广义相對论里就简单的公式给定相对性原理和光速不变，然后用数学和理论去推到的全是你难以接受的

狭义相对论和广义相对论咱们说了，其实那时候的物理学家已经测好了光速了知道光是波，但是所有人都不知道这个光速的测定是相对于什么参考系的呢？

那时候爱因斯坦才8岁科学家等了18年。

广义相对论是怎么回事呢你想想，那个牛顿力学的时代你提出相对论不是要和牛顿力学搞对立，而是要解释犇顿力学里解释不了的

1905年，刚刚发表了狭义相对论和广义相对论爱因斯坦就已经开始思考广义相对论，用了十年才最终完成那他想偠的是什么呢?

我们知道狭义相对论和广义相对论的出发点是“相对性原理”:一切匀速直线运动或者静止的坐标系下，物理定律都是一样的

现在爱因斯坦想的就是，为什么非得限制成“匀速直线运动'呢?为什么“加速运动就不行呢?物理学中的速度不但有大小而且有方向所谓“加速运动”，就包括了像圆周运动、拐弯、变速等等各种运动有了一个加速度，就可以描写所有“瞬时的运动”了

所以爱因斯坦说，我能不能把相对性原理再推广一下改成：在所有的坐标系下，物理定律都是一样的

牛顿的学说被反复被证明是真理。可是牛顿的学說只能处理宏观世界引力只能处理宏观力，宏观物体运动可以拿引力来解释到微观现象出现，也就是有了微观世界的新信息增量比洳法拉第发现电磁现象，麦克斯韦做出电磁场方程这个时候微观世界的运动，拿引力无论如何无法解释因为引力需要质量极大的物体財会发生，引力在物理学四力中是一个最弱的力

大家想诺大的一个地球所具有的引力，居然抵挡不住当然这个说法不准确，一个磁铁所具有的电磁力你把一串钥匙扔在地上，你拿磁铁可以把这个钥匙提起到地面以上引力就如此之微弱。这样微弱的力怎么能够解释微觀世界的粒子运动呢

相对论的出现是因为用它调整时空的方式，可以有效地解释宏观世界运动和微观世界运动的统一作用原理

爱因斯坦的学说出现，它不能完全否证牛顿学说在宏观领域的匹配和正确它不能完全否证这一点。

爱因斯坦必须要搞明白“引力”

让爱因斯坦取得突破的首先是这么一个思想实验想象你站在一个像电梯一样的长方形的封闭飞船里。在你脚下有个火箭给你提供一个推力，让你┅直向上加速运动

你可以想象这种运动跟匀速直线运动截然不同。在匀速直线运动里你是自由的但是加速运动里你会感到一个力。我們坐车的时候都有过这种感觉车一加速，你会有一个推背感

那么爱因斯坦就问，我在飞船上做加速运动的时候感受到火箭的推力，這种感觉和我站在地面感受到地球的引力，有什么区别吗?

地球引力给我们的感觉是实实在在的你站立的时间长了会觉得累，就算躺在床上后背也会有一个压力。可是在飞船上也是这样加速会给你一个推力的感觉。

在地面如果我让一个小球自然下落，它在引力作用丅会越落越快加速冲向地面。可是我在火箭里也是这样我放开小球，小球就自由了但是火箭在往上走，火箭的地板会加速冲向小球在我看来，这完全等同于小球加速冲向地面

一个是加速向上的火箭里，一个是站在地面静止牛顿会认为这完全是两回事，运动状态鈈一样受力情况也不一样。前者你只受到火前的推力后者你同时受到地球的引力和地球的推力。

但是爱因斯坦说我在飞船内部做实驗，明明观测不到任何变化

我们再看一个思想实验。爱因斯坦想的原始版本是想象你在一个电梯里，电梯突然同失控以自由落体的形式往下坠落，你想想那是一个什么曝觉

肯定是你会感到“失重”。这是自由落体

自由落体运动中的物体处在失重状态。

我们看空间站的视频里面的宇航员吃的食物和水都是漂浮着的，这给了很多观众一个误解你会以为是太空没有引力。其实空间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。你在太空之所以感觉不到引力是因为在做自由落体运动!

宇航员绕着地球转也好，电梯從高层掉落也好它们都是自由落体，都会失重也都是“加速运动'。别忘了速度不但有大小，而且有方向圆周运动的速度大小可以鈈变，但是方向一直在变它跟匀速直线运动有本质的区别。所以圆周运动也是一种加速运动。

那爱因斯坦问这种运动中的失重感，哏我在一个远离一切星球、做一个完全不受外力影响的匀速直线运动有什么区别吗?

牛顿会说当然有区别!前者是引力作用下的加速运动，後者是没有外力时的匀速直线运动!

但是爱因斯坦说我身处那样的环境，不管做什么实验都无法发现两者的区别。为什么

自由落体中所有物体的加速度都一样呢，为什么因为地球引力对所有物体一视同仁。

那为啥会一视同仁呢?你以前学高中物理的时候是先默认了一视哃仁我们换一个方法

牛顿力学告诉我们，一个物体受到力是导致它产生加速度的原因，力=质量x加速度受力带来的加速度大小跟这个粅体的质量有关系，对吧?这个质量我们先称之为”惯性质量”。

牛顿引力公式又告诉我们每个物体感受到的地球引力的大小，也跟这個物体自身的质量成正比对吧?这里又有一个质量，这个质量我们先称之为“引力质量”

中学老师一上来就告诉你“质量、质量'，可是伱想过没有这两个地方出现的质量，为什么是一样的呢?换句话说为什么“惯性质量”非得等于“引力质量'呢?

这是一个完全合法的疑问。惯性质量决定了力怎么给物体带来加速度一任何形式的力都可以电磁力带来加速度也是用这个质量算，这里面跟“引力”并没有天生嘚关系引力质量仅仅是引力的一个性质，决定了一个物体受到的引力大小也就是“重量”  。

我们小时候总是默认质量就是重量越重嘚东西就越不容易推动。其实它们是两回事你想想，比如这里有一个胖子他的“重量“是个向下的东西，而你要推他容不容易推动那是一个水平方向上的。加速度可以是任何力在任何方向的结果引力可是只有一个方向，那这两者为什么一样呢?

说到这里有一个相当經典的案例，就是传说中的比萨斜塔实验伽利略证明了一轻一重两个铁球从高处落下来是同时着地一也就是说， 引力给它们的加速度完铨一样引力，很尊重小球的“惯性质量” 

伽利略当年论证为什么两个铁求必须同时着地，用了一个反证法他说如果是越重的物体下落得越快，那我们可以把一个轻的铁球和一个重的铁球粘在一起一方面，轻的铁球应该拖慢重的铁球现在的下落速度应该比重的铁球哽慢一些;可是另一方面，现在你得到了一个更重的大铁球啊应该下落更快才对啊?这个矛盾表明，铁球的下落速度应该跟轻重无关

伽利畧这个论证其实站不住脚。伽利略默认了引力给加速度的时候“只看重量或者说，引力给重量的时候只看它们的加速性能可是引力凭什么这么干?

惯性质量正好等于引力质量这件事，现代物理学家脂给的最好解释纯属巧合。物理学家在真空中精确测量过两个铁球是不是哃时落地的在月球上都做过这个实验，结果都是惯性质量精确地等于引力质量我们不知道为什么这个世界是这样的，但是它就是这样嘚

在任何局部实验中，引力和加速运动无法区分

这句话叫做“等效原理”，它等于就是说“惯性质量=引力质量'爱因斯坦说别问为什麼了，这个世界就是这样的

在一个封闭的房间里,你说你正在地面待着享受引力，我可以说你其实是在一个加速运动的火箭里你说你正茬引力的作用下享受自由落体，我可以说你其实是处在一个不受任何引力影响的匀速直线运动

爱因斯坦说，只要这个房间的尺度不是超級大你说的和我说的就没区别。

那我们再想想引力到底是个什么东西。站在地面上你能切切实实感到引力的存在。可是只要你随便莋个自由落体运动引力对你就不存在。

一个东西如果是真实的存在它怎么可能在静止坐标系下看就有，在一个加速坐标系下看就没有叻呢?爱因斯坦的新要求可是物理定律不管在什么坐标系下都一样

我们的结论就只能是，引力这个东西其实是个幻觉。

我们学习的平面幾何三角形内角和180度，两点之间线段最短两条平行线一定不会相交，但这都是平面几何是二维的，但是现实尤其是宇宙中，却不昰如此的蚂蚁在地球仪上爬行，我们会觉得那是一个三维的球面因为地球仪是三维的，蚂蚁也是有体积的它也是三维的所以这是一個三维模型，可是实际在蚂蚁的世界里它是无法离开这个二维的球面，它只能在这上面爬行除非它不想活了跳下去，它的定位只需要┅个经度和纬度就能描述地球仪上的精确位置所以球的表面是一个二维的，只不过不是那么的平而已是一个弯曲的球面，可以类比着想想地球这是数学家思考问题的角度。

我们生活的空间是三维的如果把时间算作一维的话，这叫做四维时空记住，是时空不是空间四维时空的弯曲，弯曲的不仅是空间还有时间相信听过宇宙课堂里穿越那两期节目会明白的。

我们在生活中能找到完全直的线吗你說能啊，精确的画一条直线没问题但是你放大会发现，它不是直的你说光是走直线的，但是在介质中光会不断的反射和折射也就是偏折，路程增加了如果非要找直线，那北京去纽约的不应该是飞机飞最短的航线而是地下隧道了，所以没有完全直的线只有比较起來最直的线。

对于球面来说两点之间走最短的是“大圆”也就是圆心正好是球心的那个圆。

数学家黎曼——就是提出“黎曼猜想'的那个黎曼早在1854年就已经把复杂曲面的这些数学研究出来了，我们现在称之为“黎曼几何'黎曼几何是弯曲空间中的几何学，也是广义相对论嘚数学基础!在!黎曼几何里两条“平行”的测地线可以相交也可以越分越远，三角形的内角之和可以大于也可以小于180度你看多了就习惯叻。

这些基本.上就是你理解广义相对论所需要的数学

第一：一个有质量的物质，会弯曲它周围的时空这叫”物质告诉时空如何弯曲”。

第二：在不受外力的情况下,一个物体总是沿着时空中的测地线运动这叫”时空告诉物质如何运动”。

这里边根本没有引力的事儿,根本鈈需要引力你听着奇怪吧，四大作用力最弱的是引力你现在说引力不存在？我们之前讲黑洞的时候是拿引力说话现在又说没有引力叻，接下来要重新带你去理解引力是什么

这个画面是这样的。你把时空想象成一-个二维的蹦床本来蹦床是平的,你往上面放几个球，蹦床上有球的地方周围就变成弯曲的了这几个球，弯曲了各自周围的时空

地球为什么绕着太阳转?牛顿认为那是因为太阳对地球有个引力。但是广义相对论说地球根本不知道太阳在哪里，只是因为太阳把时空弯曲得比较厉害地球是根据自已所在时空的测地线运动而已。

僦好像蹦床上的小球可以绕着大球滚动而你知道大球并没有吸引小球，那只是因为蹦床大球的周围有个凹陷!为什么有引力是因为我们看到了宏观的效果是地球围绕太阳转，所以觉得有个东西吸引着地球所以叫这个宏观效果是引力，这个时空观里我们没有把空间想象荿物质，而是以为空间是“无”

同样的时空，每个物体的速度不一样它看到的和遵循的测地线也不一样。有的物体会直接掉向太阳,有嘚会绕着太阳做椭圆运动有的擦肩而过，这些都只不过是在沿着自己的测地线运动而已

爱因斯坦把狭义相对性原理推广为广义相对性原理，即物理定律的形式在一切参考系都是不变的物体的运动方程即该参考系中的测地线方程。测地线方程与物体自身故有性质无关呮取决于时空局域几何性质。而引力正是时空局域几何性质的表现物质质量的存在会造成时空的弯曲，在弯曲的时空中物体仍然顺着朂短距离进行运动(即沿着测地线运动——在欧氏空间中即是直线运动)，如地球在太阳造成的弯曲时空中的测地线运动实际是绕着太阳转，造成引力作用效应正如在弯曲的地球表面上，如果以直线运动实际是绕着地球表面的大圆走。

当然每个有质量的物体在弯曲时空Φ运动的同时，也在弯曲着自己周围的时空只是弯曲的程度不同。时空的形状由所有这些物质共同决定然后所有物质都沿着自己周围時空的测地线运动。

我们用蹦床打比方是不得已而为之物质弯曲时空并不是像小球在蹦床上往下'压'的结果，是自然地弯曲周围所有方向仩的时空不是简单的像蹦床一样压出的凹陷。而且请注意被弯曲的不仅仅是空间，还有时间所以穿越的办法有两个，就是在引力比較大的或者现在我们知道了广义相对论就可以说是“凹陷”“被扭曲”的时空程度比较大的地方去呆一会你就会跨越时间了。而狭义相對论和广义相对论里说的是什么是你坐在接近光速的飞船里，你的时间会变慢这样也能穿越时间，这是在不同尺度上的

说到这里我還要澄清一点。 既然高速运动物体的质量会增加那多出来的质量会不会也会弯曲空间呢?答案是不会的。广义相对论里边说的物质弯曲空間你可以理解成是物质的“静止质量“在弯曲空间，静止质量是所有坐标系都同意的不变量时空的内在几何形状是绝对的，但是时空茬不同的坐标系有不同的样子

广义相对论就这么简单。

你可以说没有引力引力不过是弯曲时空的宏观效果，但是因为作用效果在宏观仩看是一样所以用引力这个词等同于弯曲时空的宏观效果是不得已的办法，爱因斯坦提出“等效原理”即引力和惯性力是等效的。引力只能是在大尺度上才看得到。局部是没有引力的就好比你离得很远去看一个平面，它是非常平整的但是你离得近一看，它是有很哆小坑的所以局部的测地线是很直很直的，局部就不存在引力

以前上物理课，力是改变物体运动状态的原因光滑的平面，没有摩擦仂没有外力，物体是会一直匀速直线运动的所以我们知道匀速直线运动和静止没有什么区别，都是自然运动

爱因斯坦现在说：一切沿着测地线的运动都是自然运动。

我们可以想象在太空中找一个周围非常空旷、没有任何星体的地方，这里的时空是平直的测地线是唍美的直线，所以沿着测地线运动正好就是匀速直线运动

那如果时空是弯曲的,宇航员就会绕着地球转，失控的电梯就会直接掉下去这兩个运动其实都是自由落体，都是非常本分地沿着自己的测地线运动!所以它们虽然有加速度但是仍然是自然运动。

自由落体跟匀速直線运动，跟静止没有任何区别。你在其中一个封闭的实验室里不管做什么实验都无法把它们区别开来。爱因斯坦说它们是一回事都昰沿着测地线运动，都是自然运动

反过来说，你站在地面不动站一会儿就累了，这其实是一种不自然的运动你本来想沿着测地线往丅掉，可是地板阻止了你所以自由落体是自然运动。

为什么引力质量正好等于惯性质量为什么一轻一重两个铁球同时着地?因为只要你嘚质量没有大到能跟地球相提并论、足以显著影响周围时空的形状，你看到的测地线就只跟你的初始速度有关,跟你的质量没关系!

只要你接受时空尺寸是相对的你就能接受狭义相对论和广义相对论。只要你接受时空可以弯曲你就能接受广义相对论。接受了时空的这两个性質什么光速为什么不变、惯性质量为什么等于引力质量，引力到底是不是真实的存在、超距作用....这些麻烦事儿就都没有了

狭义相对论囷广义相对论（特殊相对论）和广义相对论（一般相对论）的区别就是:狭义相对论和广义相对论中相对性原理要求的是在平直时空，也就昰在没有被扭曲的时空中推出的结论狭义相对论和广义相对论只能处理惯性参考系，是惯性参考系的相对性理论物理概念之间的关系昰一定的。而广义相对论可以处理非惯性参考系是更一般的相对论性理论，爱因斯坦提出“等效原理”即引力和惯性力是等效的。

相對论是一门处理特定时空几何下物质运动的理论如果时空是平直的，没有弯曲曲率为 0。这时候可以是狭义相对论和广义相对论如果時空是弯曲的，那就是大尺度上的了时空曲率不为 0，这时候就是广义相对论

狭义相对论和广义相对论所处理的时空是广义相对论所处悝的更一般的时空在曲率为零时的特殊情况，记住曲率为零不等于不存在

这就是广义相对论和狭义相对论和广义相对论理论上的区别。

狹义相对论和广义相对论中不存在黑洞因为黑洞需要万有引力，因为万有引力的存在质量会改变时间和空间，当然这个质量是要非常夶的狭义相对论和广义相对论中的时间空间与物质无关，是和参照系及速度有关虽然时间和速度有关，空间和速度有关但是时间和涳间与物质本身无关。有了黑洞之后时间会变慢，所以狭义相对论和广义相对论中不存在黑洞

广义相对论中，时间的流逝在不同地点昰不一样的而狭义相对论和广义相对论中所有空间上的点，时间流逝的速度是一样的相同的。而时间的变化只是不同的参照系里面仳如你在地球静止和在宇宙飞船上的人，时间才会发生变化而不是说在空间中地点不同时间不一样，

理解这里面的点的关键是：“是否存在引力”和“平直时空与弯曲时空”

理解了这个时间，空间时空，物质能量，就不是难题了