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马克

上一贴讲了狭义相对论时间膨胀的原理，今天我们来看看广义相对论中，大家经常听说到的光线弯曲是怎么回事。
爱因斯坦用了10年时间来思考广义相对论，在这漫长的思考当中，有一个思想实验，据说爱因斯坦本人对它都非常得意，它就是广义相对论的重要前提--等效原理。
只看这4个字，你肯定不知道是啥意思，别急，要理解它其实很简单，今天就让我们和爱因斯坦一起开脑洞！

也不知道是真是假，据说有一次爱因斯坦坐电梯的时候，突然想到，如果这个电梯的钢缆断了，做自由落体运动的时候，电梯里的人将无法分辨这个电梯究竟是在地球上做自由落体，还是在一个无重力环境中做匀速直线运动或静止。因为这个时候，电梯里的人在这两种情况下感受到的情况是一样的，都是失重状态。其实这个好理解，这就是伽利略的等效原理嘛，这也不是爱因斯坦想出来的。
然后爱因斯坦又想，如果这个电梯静止不动放在地面上，这个时候电梯里的人就会受到一个地球的引力。
而如果另一个电梯在刚才我说的无重力环境中做匀加速运动（划重点，匀加速的概念能明白吧？），那么这个人也会受到一个与运动方向相反的惯性力。
如下图：

那么爱因斯坦就说：当恰好右边的加速度a=g的时候，电梯里的人将无法区分他自己究竟是在地球上，还是加速在宇宙中运动。

那我们再把刚才电梯掉落的情况画出来，假设电梯在地球上空做自由落体运动，那么在电梯里的你感受到的，其实是失重状态。
而假设这个电梯在宇宙中做惯性运动，也就是说做匀速直线运动或者静止，那么你在电梯里感受到的其实也是失重状态。

所以爱因斯坦就说，引力场和惯性场不可区分。也就是说，它们是等效的，是一样一样的，这就是等效原理，后人也叫强等效原理，也就是说，在这两种情况下，你做任何物理实验，你都无法区分你到底是在哪一种情况下，在一个加速参考系下成立的事情，在引力场也必然样成立。
那你可能要说，我看一眼不就知道了吗？注意是在一个封闭的电梯里，没有门窗。
根据等效原理，我们就能理解光线弯曲这个事情了。

假设在宇宙中一个加速上升的电梯里（注意是加速），从电梯旁边水平射入一道光，电梯被我们开了个小孔，让这道光可以射入电梯里面。在电梯外的人看来，这道光是水平的，直线传播的。

这个时候，光线从电梯的左边运动到电梯右边是需要时间的，虽然这个时间非常微小。但是就是这一点点时间，我们的电梯也同样向上运动了一点点，所以在电梯里的人看来，光并不是走直线，而是走了一个曲线，落到了右边下面一点点。

这里可能会有人问了，如果电梯时匀速运动的，那么这道光难道不是也是会在电梯左右两边不同的落点吗，那不也是曲线的吗？其实并不是这样，如果电梯是匀速运动的，那么这个电梯里的人看到的情况，则是光走了一个斜线，而不是曲线，只有电梯加速运动，电梯里的人才能观察到光在电梯里走了曲线。

那么我们刚才讲的等效原理，在一个加速参考系下成立的事情，在引力场也必然样成立。
假如我们把刚才这个加速运动的电梯，就放在地球上，根据等效原理，在加速场中弯曲的光线，在地球表面同样会弯曲。

所以在地球表面，光线的弯曲就如同在加速场中，光线被观察者看到的情况一样。

无法理解，前者是加速导致的观测效应啊

讲完了，突然想到，在地球上做失重训练的时候，会做飞机让飞机升到高空，然后飞机做俯冲运动，就相当于做自由落体运动，此时飞机内的人就可以感受失重状态，重复多次来做失重体验，如果还不理解的同学可以类比思考一下，在飞机内体验失重的人，其实和在太空中做惯性运动的人的体验是一样的。

还想再说一句，广义相对论是干什么用的？是用来计算时空区率的，空间弯曲的概念，关注科普的同学肯定没少见，但是如果我上来讲空间弯曲，太抽象很难理解，广义相对论的核心表达就是爱因斯坦场方程，这个有多达十几个未知量的张量方程，就是用来计算实际空间弯曲的程度，空间为什么弯曲？因为质量，为什么质量会让空间弯曲？因为引力，为什么引力会让空间弯曲？就是因为等效原理，如果等效原理本身没有问题，那么广义相对论从逻辑上就没有问题。就像如果光速不变成立，那狭义相对论从逻辑上就成立一样。所以我从简单一点的等效原理入手，这贴不知道还能不能看懂，我自己觉得我已经没有办法更简单通俗的把这个问题讲明白了，反正大家看没看懂，尽量思考吧。