當(dāng)光線經(jīng)過(guò)一個(gè)大塊物質(zhì)會(huì)發(fā)生什么事情？它是否簡(jiǎn)單地、不偏離原路徑地沿著直線繼續(xù)行進(jìn)？它是否會(huì)由于附近物質(zhì)的重力效應(yīng)而受到一個(gè)力？如果是的話，那它所受的力的大小是多少？

這些問(wèn)題直截了當(dāng)?shù)攸c(diǎn)中重力的運(yùn)作原理。今年，2019年，是紀(jì)念廣義相對(duì)論被證實(shí)100周年。1919年5月29日發(fā)生日全食時(shí)，兩支獨(dú)立的隊(duì)伍成功地測(cè)量了太陽(yáng)邊緣附近恒星的位置。通過(guò)當(dāng)時(shí)最高水平技術(shù)得到的觀察結(jié)果，他們確定了遠(yuǎn)處的星光是否會(huì)受到太陽(yáng)引力影響而產(chǎn)生彎曲，以及彎曲的程度。這個(gè)結(jié)果震驚了許多人，但愛(ài)因斯坦已經(jīng)知道答案是什么，具體如下。

圖解：一個(gè)引力透鏡以及星光因質(zhì)量而彎曲的例子。在進(jìn)行定量預(yù)測(cè)之前，甚至在愛(ài)因斯坦提出這個(gè)理論之前，他就知道光一定會(huì)受質(zhì)量的影響而彎曲。（NASA 美國(guó)國(guó)家航空航天局/ STSCI太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所）

想象一下你在電梯內(nèi)，所有門(mén)都是關(guān)著的。你可以聽(tīng)到發(fā)動(dòng)機(jī)在外面運(yùn)行，但你看不見(jiàn)外面發(fā)生了什么。你只知道你所能感受的，以及看到的電梯內(nèi)部?，F(xiàn)在，盡你所能地試著問(wèn)一些最具物理意義的問(wèn)題。你移動(dòng)的速度有多快，往哪個(gè)方向？你的運(yùn)動(dòng)是否在改變？如果改變了，是什么引起的？

在電梯里，無(wú)法看到外面發(fā)生了什么，你幾乎不可能知道這些問(wèn)題的答案。根據(jù)相對(duì)論定律——追溯到愛(ài)因斯坦之前，一直到伽利略——你不知道你是否在運(yùn)動(dòng)。

圖解：一個(gè)光子鐘表，由兩個(gè)反射鏡之間的光子反彈而成，可以為任何觀察者定義時(shí)間。 雖然這兩個(gè)觀察者可能在時(shí)間流逝的多少上意見(jiàn)不一，但他們將在物理定律和宇宙常數(shù)上達(dá)成一致，比如光速。每個(gè)觀察者不僅感覺(jué)不到時(shí)間流逝速度的變化，而且他們無(wú)法從自己有限的參照系中了解外部世界的任何東西。（約翰·d·諾頓）

物理定律并不取決于你的速度，你也不能僅僅從電梯內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量從而知道相對(duì)于外部世界你的速度是多少。你的電梯可以向上、向下、水平或向任何方向移動(dòng)，除非它的運(yùn)動(dòng)發(fā)生了變化，否則不會(huì)對(duì)電梯內(nèi)發(fā)生的任何事物產(chǎn)生物理影響。

這就是相對(duì)論的原理：所有慣性（非加速）參照系都遵循相同的物理定律和方程。在靜止電梯中的世界和在恒定運(yùn)動(dòng)電梯中的世界的特性對(duì)任何觀察者來(lái)說(shuō)都是無(wú)法區(qū)分的。只有當(dāng)你能看到外面，并將你的運(yùn)動(dòng)與外部的東西進(jìn)行比較，才有辦法知道你是如何運(yùn)動(dòng)的。

圖解：2013年4月19日，一架聯(lián)盟2.1 A型火箭搭載Bion-M №1升空?；鸺募铀俣炔⒉槐绕?chē)或任何物體在地球上自由落體時(shí)的加速度快多少，但可以一次保持這種加速度數(shù)分鐘，使它們能夠打破地球引力的束縛。對(duì)火箭里面的觀察者來(lái)說(shuō)，他們會(huì)感受到恒定的加速度，但卻無(wú)法確定它的來(lái)源。一旦加速度停止，他們就不知道自己的速度是多少，除非他們能觀察到外面的世界。（ROSKOSMOS俄羅斯太空局）

沒(méi)有絕對(duì)運(yùn)動(dòng)這一概念是狹義相對(duì)論的核心:所有非加速觀察者都可以平等地宣稱(chēng)他們的觀點(diǎn)是正確的。

然而，如果電梯加速，情況就會(huì)發(fā)生戲劇性的變化。電梯以9.8m/s2的加速度向上加速，電梯內(nèi)的所有物體相對(duì)于電梯來(lái)說(shuō)都會(huì)以同樣的加速度向下加速到地板上：9.8m/s2。當(dāng)你在一輛快速加速（你感覺(jué)自己被向后推到座位上）或減速（你感覺(jué)被向前推動(dòng)）的汽車(chē)?yán)飼r(shí)，你所感受到的效果與在加速電梯里的人所感受到的相似。是運(yùn)動(dòng)的變化——加速度——導(dǎo)致了你所感受到的力，就像你從牛頓最著名的方程F = ma中所期望的那樣。

圖解：當(dāng)一輛汽車(chē)經(jīng)歷加速運(yùn)動(dòng)，而不是勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，駕駛員和任何乘客都會(huì)感受到一個(gè)與他們的質(zhì)量乘以加速度相等的力。即使在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中，你不能看到或觀察外部世界，也會(huì)有一種力讓你得出結(jié)論，你的經(jīng)歷與特定的加速度是一致的。 

現(xiàn)在，我們來(lái)看另一個(gè)問(wèn)題。如果你在同一個(gè)電梯里，但不是加速，而是靜止在地球表面，你在里面會(huì)經(jīng)歷什么?

來(lái)自地球的重力以同樣的加速度（9.8m/s2）將地球表面的所有物體向下拉。如果電梯是靜止在地面上的，地球引力仍然會(huì)導(dǎo)致電梯內(nèi)的每一個(gè)物體以9.8m/s2的速度向下加速:這與不在重力場(chǎng)中的電梯以這個(gè)速度向上加速的結(jié)果是一樣的。對(duì)于電梯里的人來(lái)說(shuō)，沒(méi)有辦法看到外面的世界，也沒(méi)有辦法知道他們是否是靜止的，但在重力場(chǎng)中或由于外部推力而加速的情況下，這些場(chǎng)景是相同的。

圖解：一個(gè)下落的球在加速火箭中（左）和在地球上（右）的相同行為可以表現(xiàn)愛(ài)因斯坦等價(jià)原理。在任意一點(diǎn)測(cè)量重力加速度和其他形式的加速度沒(méi)有區(qū)別；除非您能夠以某種方式觀察或訪問(wèn)外部世界的信息，否則這兩個(gè)場(chǎng)景將產(chǎn)生相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（維基共享用戶MARKUS POESSEL作圖，PBROKS13修改）。

現(xiàn)在，想象一下，如果你讓一束光從外面穿過(guò)一個(gè)洞進(jìn)入電梯的一側(cè)，觀察它在另一側(cè)撞擊墻壁的位置，會(huì)發(fā)生什么。 這取決于電梯相對(duì)于外部光源的速度和加速度。比如：

1. 如果電梯和光源之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)加速度，光束就會(huì)出現(xiàn)直線穿過(guò)。

2. 如果有相對(duì)運(yùn)動(dòng)（速度）但沒(méi)有相對(duì)加速度，光束會(huì)沿直線運(yùn)動(dòng)，在電梯內(nèi)部看來(lái)，光線是與水平線相比有所傾斜的直線。

3. 如果有相對(duì)加速度，光束會(huì)沿著彎曲的路徑運(yùn)動(dòng)，曲率的大小由加速度的大小決定。

然而，最后一種情形是可以很好地描述加速的電梯和在引力場(chǎng)中靜止的電梯。

圖解：根據(jù)電梯與光源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況不同，電梯內(nèi)的人看到的光線不同。 如果你允許光從外部進(jìn)入到內(nèi)部，你就能獲得關(guān)于兩個(gè)參照系的相對(duì)速度和加速度的信息。但產(chǎn)生加速度的原因，無(wú)論是來(lái)自慣性（推力）還是重力作用，都不能僅從這一觀察中看出。（尼克·斯特羅貝爾，天文網(wǎng)ASTRONOMYNOTES.COM）

這就是愛(ài)因斯坦等效原理的基礎(chǔ)：觀察者無(wú)法區(qū)分由引力或慣性（推力）效應(yīng)引起的加速度。在極端的情況下，在沒(méi)有空氣阻力的情況下從建筑物上跳下，會(huì)感覺(jué)完全失重。

例如，國(guó)際空間站上的宇航員經(jīng)歷了完全的失重狀態(tài)，盡管地球使他們向地心加速， 他們受到的重力是在地表的90%。1911年這一想法震驚了愛(ài)因斯坦，后來(lái)把它稱(chēng)為他最快樂(lè)的想法。正是這個(gè)想法使他在經(jīng)過(guò)四年的進(jìn)一步發(fā)展之后，發(fā)表了廣義相對(duì)論。

圖解：國(guó)際空間站上的宇航員和水果。請(qǐng)注意，重力并沒(méi)有消失，但是所有的東西——包括宇宙飛船——都在勻速加速，所有的重力都用作了向心力，導(dǎo)致零重力體驗(yàn)。國(guó)際空間站是慣性參考系的一個(gè)例子。（公共域圖像）

愛(ài)因斯坦思想實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是無(wú)可辯駁的。無(wú)論引力在空間的某一特定位置有什么作用——無(wú)論它們引起什么加速度——它們也會(huì)影響光。就像用推力加速電梯會(huì)導(dǎo)致光線偏轉(zhuǎn)一樣，讓光線接近能產(chǎn)生重力的質(zhì)量也會(huì)導(dǎo)致同樣的偏轉(zhuǎn)。

因此愛(ài)因斯坦推斷，他的理論不僅可以預(yù)測(cè)光線途經(jīng)引力場(chǎng)時(shí)路線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而且可以計(jì)算偏轉(zhuǎn)的大小，只需知道附近的引力場(chǎng)強(qiáng)度。

圖解：在日全食期間，太陽(yáng)引力彎曲了途經(jīng)它的光線，使得太陽(yáng)附近的恒星位置看起來(lái)似乎與實(shí)際位置不同。偏離角度的大小將由光線受到的引力場(chǎng)的強(qiáng)度決定。（西格爾/《銀河系之外》）

愛(ài)因斯坦在1911年有了他那個(gè)最快樂(lè)的想法，到1915年底，他已經(jīng)完成了廣義相對(duì)論，于是可以預(yù)測(cè)離太陽(yáng)特定角度的恒星的光線應(yīng)該偏轉(zhuǎn)多少。

當(dāng)然，在正常情況下，這是無(wú)法觀察到的，因?yàn)槿藗冊(cè)诎滋焓菬o(wú)法觀察到星星的。但是當(dāng)日全食發(fā)生的時(shí)候，特別是當(dāng)日全食持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，天空變得非常黑暗的時(shí)候，觀測(cè)者也許可以看到恒星。1916年發(fā)生了日全食，但第一次世界大戰(zhàn)阻止了這項(xiàng)重要的觀測(cè)。1918年的日食發(fā)生在美國(guó)大陸上空，但有云層遮擋，打亂了美國(guó)海軍天文臺(tái)的計(jì)劃。

圖解：1919年愛(ài)丁頓探險(xiǎn)隊(duì)的實(shí)際底片和正片，白色橫線表示已知恒星的位置，用于測(cè)量由于太陽(yáng)的存在而產(chǎn)生的光線偏轉(zhuǎn)。這是對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的第一次直接的、實(shí)驗(yàn)性的證實(shí)。（愛(ài)丁頓等人，1919）

然而，1919年，一場(chǎng)很長(zhǎng)時(shí)間的日食預(yù)計(jì)要經(jīng)過(guò)南美洲和非洲，英國(guó)的亞瑟·愛(ài)丁頓爵士做好了準(zhǔn)備。在巴西的索夫拉爾和非洲的普林西比，有兩個(gè)研究小組參與了觀測(cè)這次日食，這次日食大約有6分鐘的全食時(shí)間，這是愛(ài)因斯坦理論的理想試驗(yàn)場(chǎng)。盡管結(jié)果多年來(lái)飽受爭(zhēng)議，但其結(jié)果與愛(ài)因斯坦的預(yù)測(cè)一致，并經(jīng)受住了時(shí)間和進(jìn)一步檢驗(yàn)。在這些觀察之后，愛(ài)丁頓創(chuàng)作了下面這首仿擬詩(shī):

哦，讓明智的人來(lái)整理我們的測(cè)量吧

至少有一件事是肯定的，光有重量

有一件事是肯定的，其余的都是爭(zhēng)論——

光線在接近太陽(yáng)時(shí)，不走直線

（注: 此詩(shī)模仿的是《魯拜集》第29首）

圖解：1919年愛(ài)丁頓探險(xiǎn)隊(duì)的結(jié)果最終表明，廣義相對(duì)論描述了大質(zhì)量物體周?chē)枪獾膹澢品伺ｎD的理論。這是對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的首次觀測(cè)證實(shí)，而且與“空間的彎曲”相一致。（《倫敦新聞畫(huà)報(bào)》，1919年）

盡管進(jìn)行能夠驗(yàn)證或反駁理論預(yù)測(cè)的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)或觀察總是至關(guān)重要的，愛(ài)因斯坦毫無(wú)疑問(wèn)地認(rèn)為，觀測(cè)到的恒星光線經(jīng)過(guò)巨大的質(zhì)量（如太陽(yáng)）附近會(huì)被重力彎曲。正如他能確定萬(wàn)有引力會(huì)產(chǎn)生加速度一樣，對(duì)于一個(gè)加速的觀察者來(lái)說(shuō)，光線會(huì)發(fā)生彎曲，所以引力也一定會(huì)使光線彎曲。

2019年5月29日，人類(lèi)慶祝驗(yàn)證廣義相對(duì)論100周年，以及重力彎曲光100周年。盡管一百年前的那天很多人都有疑問(wèn)，但愛(ài)因斯坦不是其中之一。只要下落物體會(huì)由于重力而加速，我們就有充分的理由相信重力也會(huì)使光彎曲。

參考資料

1.Wikipedia百科全書(shū)

2.天文學(xué)名詞

3. medium- kayan-