阿尔伯特·爱因斯坦如何发展了广义相对论

1907 年，也就是爱因斯坦的狭义相对论发表两年后，阿尔伯特·爱因斯坦获得了一个关键的认识：狭义相对论不能应用于重力或正在加速的物体。想象一下，一个人坐在地球上一个封闭的房间里。那个人可以感觉到地球的引力场，但是现在把同一个房间放在太空中，远离任何物体的重力影响，并给它每秒 9.8 米的加速度（与地球的重力加速度相同）。房间里的人无法区分他们感受到的是重力还是匀速加速度。

爱因斯坦接着想知道光在加速室中的表现如何。如果有人用手电筒照整个房间，光线似乎会向下弯曲。之所以会发生这种情况，是因为房间的地板将以越来越快的速度接近光束，因此地板会赶上光线。由于重力和加速度是等效的，光在重力场中会弯曲。

为了找到这些想法的正确数学表达，爱因斯坦又花了几年时间。1912 年，爱因斯坦的朋友、数学家马塞尔·格罗斯曼 (Marcel Grossman) 向他介绍了伯恩哈德·黎曼 (Bernhard Riemann)、图利奥·列维-奇维塔 (Tullio Levi-Civita) 和格雷戈里奥·里奇-库巴斯特罗 (Gregorio Ricci-Curbastro)的张量分析，这使他能够在不同的坐标系中以相同的方式表达物理定律。随后又是三年的错误转弯和艰苦的工作，但在 1915 年 11 月，这项伟大的工作终于完成了。

在 1915 年 11 月发表的四篇论文中，爱因斯坦奠定了该理论的基础。特别是在第三个中，他使用广义相对论来解释水星近日点的岁差。水星最接近太阳的点，即近日点，会移动。这种运动无法用太阳和其他行星的引力影响来解释。

关于这个谜题，历史上有很多说法，以至于在 19 世纪，甚至有人提出了一颗新的行星，瓦肯，它的轨道靠近太阳。不需要这样的星球。而爱因斯坦可以根据第一原理计算出水星近日点的偏移。

然而，对任何理论的真正考验是它是否可以预测尚未观察到的事物。广义相对论预言光在引力场中会弯曲。1919 年，英国远征非洲和南美洲的探险队观测到日全食，以确定太阳附近恒星的位置是否发生了变化。观察到的效应正是爱因斯坦所预测的。爱因斯坦一夜成名。

当日食结果公布时，英国物理学家 JJ Thomson 将广义相对论描述为“整个科学思想大陆”，而不是一个孤立的结果。事实证明如此。黑洞和膨胀的宇宙是两个起源于广义相对论的概念。甚至 GPS 卫星也必须考虑到一般的相对论效应，才能为地球上的人们提供准确的位置测量。