沉默寡言的爱因斯坦坐上了回家的电车，车站距离Zytglogge钟楼几英里远。当时的爱因斯坦只是一名专利技术员，他尽快完成了工作，利用闲暇时间探寻宇宙的真相。当人们嘲笑那些天马行空的想象是白日梦时，爱因斯坦，这位十足的天才提出了他的理论，我们将他的构思奉为思想实验。就是在那辆电车上，他的思想实验彻底革新了近代物理学。

看着眼前巨大的钟塔渐渐远去，爱因斯坦突发奇想，如果电车以秒速186000英里的速度行驶，钟楼的指针将会呈现完全静止的状态。同时他也清楚钟楼的指针将继续转动——时间也正常流逝。但对于爱因斯坦来说，时间变慢了。因此，他意识到行驶速度越快，时间流动速度就会越慢，但这是真的吗？

爱因斯坦面对的困境

爱因斯坦深受两大物理学家的影响。一位是爱因斯坦的偶像，发现了运动定律的牛顿；另一位是提出电磁理论麦克斯韦。但是这两种定理相互对立。麦克斯韦认为电磁波的速度是恒定的，就像光——速度高达186000英里/秒,他认为这是宇宙的基本事实。

牛顿的定理则指出速度总是相对的。一辆汽车的行驶速度是40英里/时，这是相对于静止的观察者的速度，但相对于同向行驶，速度为20英里/时的车辆来说，其速度只有20英里/时，若是相对行驶，其速度就是60英里/时。当应用于光速时，速度相对论与麦克斯韦的基础事实相悖，这给爱因斯坦出了个大难题。

然而，这一大难题促使爱因斯坦提出了物理学史上难以置信却又最具创新性的理论——兼顾这两大定律的理论，这听上去似乎也没多么令人震惊。为了探究这两者之间的矛盾，解释时间为什么变慢，爱因斯坦想到了一个精妙绝伦的思想实验，这绝对排在最佳思想实验行列中。他设想一个人站在车站站台，左右两边射下两道闪电，他恰好站在两道闪电中间，以他的视角可以观察到两束光线同时射下。

但是，在火车上的人却看到了不同的一幕。火车正以光速行驶经过站台，根据牛顿运动定律，火车上的人会先看到距离火车更近的光线射下，然后才看到较远的光线。然而这两个人测量出的光速却不同。根据麦克斯韦的理论，忽略观察者的运动，光速是恒定的，那么在所谓的宇宙基本事实的前提下，这样的结果怎么可能会发生？

爱因斯坦对这一差异进行了补充说明，因为时间本身变慢了，所以光速还是保持不变。相对于站台上的人，火车上的人经过他时所经历的时间更慢一些。爱因斯坦称之为时间膨胀。

重力时间膨胀

爱因斯坦将这一原理命名为狭义相对论，称之为狭义是因为它主要解决速度恒定的问题。但在现实世界中，物体总是在加速或者减速，爱因斯坦需要考虑在加速的情况下，这一原理是否受用。为了概括并解释普遍现象，爱因斯坦发现了时间与重力之间的关系，并将这一新发现的重力原理命名为广义相对论。

牛顿认为时间如离了弦的箭，勇往直前。爱因斯坦假设时间与速度成反比。时间也像空间一样，具有延展性，所以时间也可以看成一种维度。事实上，爱因斯坦认为时间与空间不能分开来探讨，他们是一回事，是共同组成四维空间的一片织网，能够无限延伸，宇宙事件在这片织网上不断展开。爱因斯坦将其称为时空。他将这项不可思议的研究成果发表后得到了意料之中的反馈——无稽之谈。

根据广义相对论，物质可以拉伸或者压缩时空，因此物体并不是被某种神秘的力量拉向地球，而是因为弯曲的空间。这里可以参照一下斜坡，时空的曲度使物体加速下落，即便是各个点的速率不同。越趋于地表，重力就越大，时空的曲度也要比侧面边缘大。

时空因大质量物质而弯曲，我们将其类比蹦床。虽然严格意义上来讲，这样的类比不够科学严谨，但这是最简单的解释方式。

越接近地表，时空的曲度就越大，引力也会越强，那么一个做自由落体运动的物体在地表某一点B的速度，要比在高空某一点A的速度快。根据狭义相对论，下落的速度越快，时间流逝的就越慢，所以经过点B的时间相对于经过点A的时间要慢一些。

时间是什么呢？

什么又是准确的时间呢？答案是，没有准确的时间。爱因斯坦认为没有绝对的时间,时间是相对的，而且取决于它所受支配的力量体系，即参考系。在你自己的参考框架里所流淌的时间叫做本征时间。假设运动定律对所有观察者是相同的，忽略其运动，那么时间就会变慢，此时你的运动速度越快，相对于其他观察者你的时间会流逝得更慢。电影《星际穿越》中就有这样一幕，主人公降落在一个遥远的星球上后，安妮·海瑟薇对马修·麦康纳说：“这里的一小时相当于地球上的七年。”

让我们再次回想一下爱因斯坦在电车上进行的思想实验。是慢时钟的出现限制了我们的思维发展，还是时间真的会变慢？如果时间会变慢，这又意味着什么？时间的变化无常让我们不禁发问——时间，它究竟是什么？这一问题不仅使哲学系学生无比懊恼，在兄弟会派对上频频讨论，从远古时期起，时间这一概念就困扰着自然哲学家和物理学家。

时间最初的功能是按顺序记录事件。人们认为恒星围绕地球转，而不是地球围绕恒星转，并以此来规定时间,尽管这个结论不正确，“时间”依旧安然前进着。日复一日，四季轮回，当这一切如你所推断的那样重复着，交替着，你便有了计时机制。

牛顿万有引力定律与爱因斯坦相对论是两个层次的理论。

万有引力定律就像一个梯子的下面几级，比较接地气，指导了人类几百年的科学研究和技术发展；而广义相对论是梯子的上面几级，站得更高看得更远。

但我们爬梯子必须先踩在下面几级才能攀爬到上面。

因此牛顿的万有引力为爱因斯坦的高层梯子奠定了基础，没有这个基础，爱因斯坦的上层梯级就成了空中楼阁，虚无缥缈。

传说牛顿发现万有引力是树上的苹果砸到头上砸出来的，这当然是闲扯，但现在爱因斯坦发现了梯子的上面几级，就能够爬到树上把苹果摘下来，解剖苹果发现了更深层次的秘密。

说白了，就是爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论比万有引力定律站得更高，指导意义更深远。

但牛顿的万有引力这个基础打得很牢很稳，至今依然闪烁着灼灼光芒。

万有引力是迄今人类发现最基本的四种力中的一种力，也是最早发现的一种力。

牛顿发现了万有引力定律，其表达式为：F=GMm/r²

式中，F表示万有引力值，G为引力常数（6.67x10^-11N·m²/kg²），M和m为引力相互作用的大小物体，r为M和m的距离。

这个定律说明了引力的大小与两个相互吸引的物体质量乘积成正比，与两个物体距离平方成反比。特别要说明的是，距离是指两个物体质点的距离，而不是表面距离。

人们根据这个定律，能够计算出地球等天体的引力，才能计算出环绕速度、脱离速度和逃逸速度，从而让火箭能够飞出地球大气层，或环绕地球飞行，或飞往月球，或飞出地球引力圈甚至太阳的引力圈。

在地球上，环绕速度为每秒7.9公里，脱离速度为每秒11.2公里，逃逸速度为每秒16.7公里。

所谓环绕速度就是一个与地球引力抗衡的速度，达到这个速度既逃脱不了地球引力，又不会被地球引力拉拽下来，就成为地球人造卫星。

因为引力随着距离平方成反比，因此卫星在不同的高度，所需的速度就不一样，越高速度就越慢。

其关系式为：GM/r=v²

式中，G为引力常数，M为地球质量，r为人造天体与地心的距离（轨道高度+地球半径），v为速度。

脱离速度实际上就是地球的逃逸速度，在地球上发射飞船，只要达到了这个速度，就能够逃离地球引力，飞往其他行星；而所谓逃逸速度，实际上是在地球上发射人造天体逃出太阳引力的速度。

太阳是个庞大的星球，在其表面的逃逸速度为617.7公里/秒，但引力与距离平方成反比，在地球这个位置加上地球本身的公转速度只需要46.7公里/秒的速度，就能够逃离它的引力，地球公转速度为每秒约30公里，因此利用这个动能，发射只需要增加16.7公里就能够逃离太阳系。

这就是根据牛顿的万有引力定律，引申出来的三个宇宙速度。环绕速度被称为第一宇宙速度，脱离速度被称为第二宇宙速度，逃逸速度被称为第三宇宙速度。

牛顿虽然聪明，对万有引力只知其然，不知其所以然，没有悟出其根源。

这个万有引力是怎么产生的呢？其是怎么出现的呢？牛顿往前再走一步，大概就没爱因斯坦什么事了。

当然爱因斯坦之所以能够揭示出万有引力的本质，也并非比牛顿聪明，而是经历了几百年一代代科学家的前赴后继，已经得出了很多新的发现和理论。

爱因斯坦相对论成果，就是在学习总结前人的很多发现和理论基础上得到升华的。

爱因斯坦的时空理论认为：质量才是引力的根源，凡有质量的物体，都会产生引力。小到一个原子，大到一个星球，都有万有引力作用。

质量怎么导致了引力呢？原来质量会对时空造成扰动，就像一个石头丢进水里，就会对周围的水造成扰动。

看不见摸不着的时空就像水遍布宇宙的任何角落，所有的物质都在时空中存在和运行。

这些物质在时空中，质量越大，导致的扰动就越大。

这种扰动有点像漩涡或陷阱，每个大大小小的物质都会在自己周围全方位造成漩涡或陷阱，质量越大，漩涡陷阱就越大越深。

物体靠近时就会相互掉进对方的陷阱，看起来就是两个物体的相互吸引；小的物体经过大物体附近，就会掉进大物体的陷阱，看起来就是大物体对小物体吸引。

有人用绷紧的床单，上面放大大小小的球体，会把床单压出一个个凹陷，两个附近的球体就会滚到一起。这种质量与时空关系比喻有一定道理，但并非完全如此，还需要发挥全方位的空间想象力，才能够理解。

这就是万有引力的根源和本质~质量导致的时空弯曲。

时空弯曲效应与引力定律的结论是一致的，与质量成正比，与距离平方成反比。

但爱因斯坦的理论触及了时空的根本，因此预言了很多现象，如时空弯曲、黑洞、引力透镜、引力波等等，这些都被后来的科学观测发现所证实。

爱因斯坦相对论认为质量导致的时空弯曲，不仅仅会发生万有引力现象，还会导致时间膨胀。

空间弯曲是万有引力的根源，时空弯曲是时间膨胀的根源。

因此，爱因斯坦的发现不但揭示了万有引力的本质，还在更高层次揭示了宇宙的本质。

这个本质就是在我们宇宙，时间、空间、物质是三位一体的，物质运动变化，必然带来时间和空间的变化。

在我们四维时空，空间和时间是运动着的物质存在形式，空间是物质的广延性，时间是物质运动变化的标记，它们都是不以人意志为转移的客观存在，三者相互相成缺一不可，与宇宙共存亡。

有了这个基本认识，宇宙中的一切变化都离不开这三位一体的相互作用，这就是相对论阐述的内容。

因此，相对论认为，时空是相对的，随着物质运动变化，时空也会发生变化。

时空扭曲或弯曲，就是这种变化的表现。

导致时空变化的有两个因素，一个是速度，一个是引力。

狭义相对论认为，速度会使时间变慢，空间变短，当运动速度达到光速时，时间停止，空间为零。这就是速度的尺缩钟慢效应，表达式为：t'=t/√[1-(v/c)²]

式中，t'是速度时间膨胀效应值，t是低速系观测者第一个时钟时间记录，v是第二个时钟相对第一个时钟的移动速度，c为光速。

广义相对论认为，引力越大时间越慢，当引力达到极端时，空间无限弯曲（黑洞），时空消失。这就是引力的时间膨胀效应，表达式为：t'=t√(1-2GM/rc²)

t’为引力时间膨胀效应值；t为低引力惯性系观测者时间流逝值；G为引力常数；M为天体质量；r为天体半径；c为光速。

上述公式说明速度和引力达到极限时，时空归零了，在走向极端的过程中，时空会线性变化。

通过爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论，人们知道了一切事物不但受到万有引力影响，还会受到时空膨胀的影响，这样火箭飞上天就不光是要考虑三个宇宙速度了。

现代航天如果没有相对论指导，发射的深空远航飞船就会不知所踪。

三个宇宙速度只能够飞出地球，但要飞到那里去，怎么遥感和定位，就需要相对论来调整了。

比如GPS卫星定位系统，由于卫星在2万公里高空运行，引力比地球表面要小，时间就会快一些；而卫星又以每秒约4公里速度运行，时间又相对比地表要慢一些。

根据测算，GPS导航卫星引力影响导致时钟快了千亿分之五十三，而速度导致的时间变慢为千亿分之八，这样里外一折，卫星时钟比地表时钟快了千亿分之四十五。

这个影响看起来很微小，我们上下班差这点时间根本感觉不到，但导航定位系统如果不按照相对论效应调校好天上与地面的时钟，定位和导航就会失之毫厘谬以千里。本来想开着个车导航去广东，结果去了广西。

根据相对论效应制作制作了一个修正程序，就能够让GPS卫星与地表时钟一致，这样才能够使导航定位精准到位。

由此，人类在发射飞往遥远空间的探测器和飞船时，根据飞行轨迹和途径的天体，定位导航系统都要进行相对论调校，否则就无法到达遥远的目标，甚至定位和通讯都无法进行。

科学就是这样站在一代代科学家的肩膀上，或者说在一代代科学家建造的梯级上攀升的，越攀越高，从刀耕火种的泥土的基础上，现在已经小可窥夸克粒子的奥秘，大可观星系天体之宏远，下可达马里亚纳海沟，上可踏月亮摘星星。

我们熟悉重力。东西落地，物体束缚在地球表面，地球围绕太阳旋转。那么，我们现在对引力了解多少，什么是引力？

引力是自然界已知存在的四种基本力之一，另外三种是支配电、磁、光的电磁力，以及在原子核内很小距离内起作用的强弱核力。在四种基本力中，重力是最弱的一种。磁铁很容易从桌子上吸引一根针，即使整个地球的质量都在把针拉下来。

自牛顿时代以来，我们对重力的理解一直在发展，现在依然如此。我们对引力的认识每有一次突破，就会对宇宙有更深刻的认识。

牛顿万有引力定律

1666年，年仅23岁的牛顿从剑桥大学回到家乡躲避瘟疫。一天下午，当牛顿看到苹果倒下时，他陷入了沉思。牛顿并不是第一个注意到苹果从树上掉下来的人，但是当他从数学上证明吸引苹果到地球的引力一定和太阳束缚地球的引力相同时，一个伟大的理论诞生了。

在牛顿看来，万物之间都存在引力，其强度与质量的乘积成正比，与距离的平方成反比，这就是万有引力定律。物体质量越大，引力越大。物体之间的距离越远，引力就越弱。地球上的物体和宇宙中的天体都受引力的束缚。

万有引力法的局限性

根据牛顿万有引力定律，所有物体之间都会有引力，不管它们相距多远。然而，重力的概念也困扰着牛顿。重力在真空中是如何工作的？重力传播的速度有多快？

直到生命的尽头，牛顿一直在说，“也许有一天，我们会发现引力效应的机制”。

虽然万有引力定律取得了巨大的成功，但是随着观测技术的进步，这一理论也逐渐暴露出一些更为困难的问题。天文学家发现水星近日点的实际进动值与万有引力定律预测的不同，这意味着万有引力定律有局限性。

爱因斯坦：引力是时间和空间的曲率

200多年后，爱因斯坦解开了万有引力在真空中如何工作的谜团，他的广义相对论以一种新的方式描述了万有引力。牛顿认为引力是一种力，而爱因斯坦认为引力是空间本身弯曲后产生的几何效应。

根据爱因斯坦，的说法，完全真空的空间是平的。但是在质量物体的作用下，一个平坦的空间会发生弯曲。物体在弯曲空间中会沿着测地线运动，所以会有引力效应。而且质量越大，能量越大，空间曲率越大，引力效应越强。爱因斯坦广义相对论不仅解释了已知的引力现象，还预言了未知的引力现象，如引力时间膨胀、引力红移、引力透镜、引力波等，这些最终被现代天文学的观测所证实。广义相对论还表明，引力的传播速度只是光速，这一点通过引力波探测得到了证实。

牛顿错了吗？

牛顿万有引力定律没有错，但是这个理论有局限性。它只适用于弱引力场。在强引力场中，广义相对论可以准确描述引力现象。从数学上可以证明，在弱引力场的情况下，牛顿引力理论是广义相对论的近似理论。

在大多数情况下，物理学家仍然认为重力是一种力，就像当年的牛顿一样。牛顿理论即使在要求高精度的火箭发射中也是足够的。

重力的未来

虽然广义相对论在天文学和宇宙学上取得了最大的成功，但它可能不是终极引力理论。这是因为广义相对论还没有和量子力学和解，引力不能和其他三种基本力统一。

物理学家一直试图将广义相对论和量子力学结合起来。如果我们最终能得到量子引力理论，我们对宇宙的认识就会有新的飞跃，奇点等问题也就迎刃而解了。