引力会导致空间弯曲吗？

1919年12月29日，日食实验证明爱因斯坦的理论是正确的。许多天文学家观察到，日蚀表明，接近太阳的光的曲率与爱因斯坦预测的完全相同。那么，为什么重力会导致空间弯曲？

对1919年日全食的观测证实了重力造成的空间弯曲。

引力是牛顿的伟大发现之一。万有引力定律表明，任何两个物体都会相互吸引。重力的方向沿着两个物体之间的线。重力的大小与两个物体质量的乘积成正比，与它们距离的平方成反比。比例因子被称为牛顿引力常数或万有引力常数。

牛顿没有告诉我们重力的深层起源是什么，也就是说，牛顿认为重力是基本的相互作用力。我们认为这并不奇怪。例如，电磁力就是电磁力，不能被简化为更基本的力。万有引力定律非常强大。它可以解释所有被地球吸引的物体的运动和天体的运动，例如地球如何绕太阳椭圆运动，月亮如何绕地球椭圆运动。它还可以解释潮汐现象以及银河系和星系团的结构和起源。

在牛顿和爱因斯坦之间的250年里，几乎没有人怀疑万有引力定律，也没有人想修改这个理论。那么，爱因斯坦为什么要修改万有引力定律呢？他发现什么现象是万有引力定律无法解释的？还是有天体运动定律突然偏离万有引力定律？还是爱因斯坦认为万有引力定律背后有更深层次的物理原因？

有两个动机促使爱因斯坦发现了新的万有引力理论。首先，他的狭义相对论在某种意义上是麦克斯韦电磁理论所要求的运动学。爱因斯坦关于狭义相对论的第一篇论文的题目是“运动物体的电动力学”。他想知道不同惯性系统中电磁运动方程之间的关系。他发现在狭义相对论中，麦克斯韦方程在不同的惯性系统中有完全相同的数学形式。当然，光速本身也是麦克斯韦方程的结论之一，所以光速不会改变。因此，伽利略的相对论对于麦克斯韦方程是正确的。当爱因斯坦把目光转向重力时，问题出现了。牛顿的万有引力是一种瞬时力，万有引力定律并不满足狭义相对论中伽利略的相对论原理。这样，牛顿定律必须被修正。

第二个动机是，为什么惯性质量与重力质量有关？这两种物质的起源完全不同。在狭义相对论中，惯性质量相当于能量，而引力质量是由牛顿引入来表达万有引力定律的，不一定是惯性质量。

爱因斯坦认为，要把引力和狭义相对论结合起来，惯性原则不可避免地要得到推广。他花了几年没有找到出路。终于有一天，他兴奋地认为解决这个问题的关键是惯性质量和重力质量相等。

为什么这个简单的想法是解决问题的关键？这是因为如果引力质量和惯性质量完全相等，那么我们将会看到，在时间和空间中的某一点附近，所有质点的加速度都是相同的。如果我们作为观察者也有这样的加速度，那么根据我们自己的参照系，所有的粒子都没有加速度，这不是一个局部惯性系统吗？在我的*落体惯性系统中，所有的物理定律都和惯性系统中的完全一样。因此，我可以完整地写下惯性系统中的物理定律。然后，在一个抵抗重力且不会*下落的坐标系中，物理定律可以通过在一个*下落的惯性系统中“平移”物理定律来获得。

对1919年日全食的观测证实了重力造成的空间弯曲。

由此，爱因斯坦想到了弯曲几何的类比。取任意曲面，如球面。在曲面上的一点附近，曲面近似平坦。“近”范围越小，几何图形就越平坦。整个曲面的几何形状由无数扁平的几何形状拼凑而成。它有点像足球。每个缝制足球的五边形和六边形看起来并不那么弯曲。如果这些小皮革被做得更小，它们会更平。现在，在引力场中，由于每个时空点附近都有局部惯性框架，我们可以将无数的局部惯性框架“缝合”成一个弯曲的时空。

惯性系统的确是扁平的，因为根据爱因斯坦的观点，惯性系统中最重要的不再是空间距离，而是“时空距离”。这个时空距离有一些绝对的意义。如果我们从一个惯性系统切换到另一个以相对恒定的速度运动的惯性系统，这个“时空距离”将不会改变，但空间距离不再具有绝对意义。因此，爱因斯坦将弯曲空间扩展到弯曲时空，他的场方程告诉我们时空的曲率与能量和动量有关。

我们很容易想象曲面，因为我们可以直接观察球面、圆环面等。在三维空间中。当然，在数学理论中，数学家可以完全摆脱三维空间来研究曲面。只要给定曲面上的长度测量，曲面的属性就被确定。类似于二维曲面，我们可以想象三维曲面空间，而不用将三维曲面空间放入四维空间或更高维空间。对于一个几何能力稍好的学生来说，弯曲的空间不难想象。最后，你如何想象一个弯曲的时间空间？弯曲时间仍然很容易想象，也就是说，在不同的空间点，时钟以不同的速度移动。爱因斯坦的弯曲时空是现代万有引力理论。