20世紀初，一位名叫阿爾伯特.愛因斯坦(Albert Einstein)的年輕瑞士專利局職員發表了相對論，永遠改變了物理學和天文學的面貌。
1921年,阿爾伯特·愛因斯坦在維也納的一次演講中說。阿爾伯特·愛因斯坦(1879- 1955)是德國出生的理論物理學家和科學哲學家。他發展了廣義相對論，這是現代物理學的兩大支柱之一(與量子力學並列)。他在大眾文化中最著名的是他的質能當量公式 (被稱為“世界上最著名的方程式”)。1921年，他獲得了諾貝爾物理學獎，“以表彰他對理論物理學的貢獻，特別是他對光電效應定律的發現。”後者是建立量子理論的關鍵。
相對論也許是科學史上最成功的發展，就其與實驗結果的一致性和預測新現象的能力而言--只有量子力學才能聲稱與它的成功競爭。愛因斯坦的理論立即解釋了他那個時代物理學和天文學的一些主要問題，並繼續解釋90年前甚至沒有被暗示的新發展，包括黑洞的存在和宇宙學的最新觀測。
然而，接受相對論要求我們拋棄之前幾乎所有關於字宙的概念，以及我們所謂的“常識”。對於居住在地球上的人類來說，空間和時間似乎是一個恆定不變的背景，宇宙的各種事件都是在這個背景下發生的。真空可以收縮、膨脹或彎曲，這取決於你離一個巨大的物體的距離，以及時間流逝的速度。空間和時間甚至可以因為那些測量它們的人而改變。時鐘相對於你移動得越快，指針看上去就越小，滴答的速度也就越慢，
應用相對論
當我們研究物體(a)在強引力場中運動，或(b)接近光速時，就需要相對論。如果(b)是正確的，那(a)就不是,我們可以使用狹義相對論的一個更簡單的版本。從歷史上看，這是愛因斯坦最先提出的理論，而廣義相對論則是後來才提出的。
在地球上的日常生活中，(a)和(b)都不是正確的，所以我們通常根本不用擔心相對論。儘管如此，當需要極高的精度時，它的效果仍然很重要。例如，相對論最重要的應用之一涉及全球定位系統(GPS), 如果我們不考慮相對論效應，GPS就根本無法工作。如果你曾經使用過GPS接收器,那麼你就直接從愛因斯坦的相對論中受益了！
在強引力場中運動
相對論最令人驚奇的一個方面是它完全改變了我們理解重力的方式。
重力和時空。藝術家概念重力探購器B環繞增味的量時空一個四維的字宙遊述包括高度，寬度，長度和時間。
圖片來源：美國國家航空航天局
科學家們早就知道重力是不尋常的。拿一堆木塊，大的和小的，把它們從桌子上掃下來;它們會以相同的速度下落，同時撞到地面。把一塊金屬粘在它們身上，用磁鐵吸引它們，它們會以不同的速度移動。試著用繩子拉它們，你必須用力拉才能使較大的物體加速。為什麼引力，而且僅僅是引力，能夠自我調節，以同樣的速度把一切物體拉向地球?
愛因斯坦以革命性的方式回答了這個問題。根據愛因斯坦的理論，引力不是一種拉物體的力。相反，它是空間和時間的彎曲，是由附近一個巨大物體(如地球)的存在造成的。當有東西經過這個巨大的物體時，它看起來會被拉向它，但實際上，它根本沒有被拉。它實際上它沿著與它在真空中移動時相同的直線移動，但由於重力對潛在的“時空”連續體的扭曲，這條直線現在看起來像彎曲的。
彎曲空間:一個簡單的類比
如果上面的段落沒有意義（這是不可能的!)考慮一下下面的類比，它與你更習慣的“彎曲空間”有關：地球表面。假設你在紐約的伊薩卡(康奈爾大學的所在地)，想去意大利的羅馬旅行，那裡大約在伊薩卡正東，距離地球四分之一的距離。你可能認為去那裡最好的方法是向東走，一直往前走，直到你到達羅馬，如圖中紅色的路徑所示:
事實上，如果你開始向東走,繼續往前走，小心地把一隻腳放在另一隻腳的前面，你就會走那條藍色的路。當你到達遙遠的東方羅馬時，你將在西非的某個地方，接近赤道! (如果你不相信這句話，用個地球儀和根繩子試試。把繩子拉緊，這樣繩子就必須是直的，然後把它從東到西穿過紐約。繩子的其餘部分將穿過非洲並穿過赤道，就像上面地圖上的藍色路徑一樣。)
這是怎麼回事?沒什麼太複雜的，真的。眾所周知，地球表面是圓的，但當我們試圖在二維地圖上表示它時，我們必須把它“變平”。在這個變平的過程中，事情變得一團槽，一些實際上是直的線(比如藍色的路徑)看起來是彎的，而一些實際上是彎的線(此如紅色的路徑)看起來是直的。
來自哈勃的馬蹄形愛因斯坦環。什麼東西又大又藍，能繞著整個星系轉?引力透鏡海市蜃樓。
資料來源：歐洲航天局哈勃太空總署
上圖中，一個發光的紅色星系(LRG)的引力扭曲了來自更遙遠的藍色星系的光。更典型的情況是，這樣的光彎曲導致形成了兩個可辨認的遙遠星系的圖像，但這裡的鏡頭對準的是如此的精確，背景星系被扭曲成一個馬蹄形----一個幾乎完整的環。由於這種透鏡效應在70多年前就被阿爾伯特·愛因斯坦詳細地預言過，所以像這樣的環現在被稱為愛因斯坦環。根據愛因斯坦的理論,同樣的事情也發生在大質量物體附近,只有曲率發生在四維空間(我們生活的空間加上一維空間)，而不是二維空間(地球表面)。大型物體附近的空間和時間是“彎曲的”，但我們無法直接感知到這一點， 因為我們只能看到三維的東西。因此，我們大腦假設空間是平坦的，在這個假設的過程中 ,事情就搞砸了 。實際上沿著直線運動的物體，在我們腦內構造的“地圖”中，會出現沿著曲線運動的物體，並被附近巨大的物體所拉。
一旦你習慣了，這種看待重力的新方法實際上是非常自然的！你見過宇航員在環繞地球的軌道上嗎?它們看起來像被什麼東西拉著嗎? 不，他們不是。他們體驗著失重，如果他們不往窗外看地球，他們可以合理地推斷出他們的飛船漂浮在遠離地球引力的真空中。根據愛因斯坦的理論，這是一個非常合理的結論，因為這兩種情況是等價的！無論是在太空中漂浮，還是繞地球運行，宇航員都沿著同一條直線運動。事實上，我們也可以體驗失重，如果不是因為地球表面阻止我們沿著直線下降到地球中心的話。愛因斯擔說，我們感覺到的不是重力，而是地面在我們的腳上向上推。
彎曲空間和時間的影響
Abell 2218星系團的引力創造了巨大的透鏡。美國宇航局的哈勃太空望遠鏡最到了一個巨大的宇宙放大鏡。這是一叫Abell 2218的巨大星系團。
資料來源:NASA
星系團的質裡如此之大，其巨大的引力場使穿過它的光線發生偏轉，就像光學透鏡使光線彎曲形成圖像一樣。這種現象被稱為引力透鏡。它放大、變亮並扭曲來自遙遠物體的圖像。星系團的放大率提供了一個強大的變焦鏡頭，用來觀察通常無法用最大的望遠鏡觀測到的遙遠星系。這一有用的現象產生了貫穿哈勃照片的弧形圖案。這些“弧”是非常遙遠星系的扭曲圖像，它們的距離是透鏡星系團的5到10倍。愛因斯坦預測的彎曲時空有一些驚人的結果，其中許多已被實驗證實。也許其中最著名的是引力使光彎曲的能力，當光穿過一個巨大物體附近扭曲的空間時。
1919年，阿瑟.愛丁頓首次發現了這種效應，這一事件使愛因斯坦在國際上一舉成名。愛丁頓最初的結果現在被認為是有爭議的，但是改進的技術已經驚人地證明愛因斯坦的預測是正確的。近年來，天文學家不僅證實了引力使光彎曲的能力，而且還發現了非常有力的間接證據，證明黑洞的存在。黑洞是一種能使光彎曲到無法逃逸的物體。
愛因斯坦理論的另一個重大成功之處在於，它解決了他那個時代的天文學家在理解離太陽最近的行星水星軌道時遇到的一些嚴重問題。有些人認為一定有另一顆看不見的行星(他們稱之為火神星)，它的引力影響著水星的軌道，但愛因斯坦指出，一旦把相對論考慮進去，所有的問題都消失了。
還有一些有趣的效應與相對論預測的“彎曲時間”有關。這種效應通過使時間在一個巨大物體附近變慢而表現出來，以至於如果你看到有人掉入黑洞，你會看到他們的時間完全停止，他們會“凍結”並逐漸消失。重力使時間變慢也會影響光波的頻率，從而影響它們的顏色。當光接近一個巨大的物體時，它會變得更藍，當它離開時，它會變得更紅。1960年，羅伯特.龐德(Robert Pound)和格倫.雷貝卡(Glen Rebka)首次觀察到這種效應。他們將伽馬射線射向建築物的頂部，並測量它們在遠離地球時的顏色變化。
也許愛因斯坦理論最令人興奮的成功來自於這個世紀，LIGO在2016年宣佈，2015年9月首次觀測到來自兩個黑洞的靈感和合並的引力波！這代表了物理學上的一個巨大的里程碑，因為它首次證實了該理論的強場體系（而不是地球或太陽的弱場體系）。不久之後，LIGO的創始人因為這一發現獲得了諾貝爾物理學獎，從那以後，又有幾頂新的發現被報道出來。
以接近光速運動
上面已經討論了相對論的一些最有趣的方面，但是相對論的第一部分(狹義相對論)是在沒有考慮重力的複雜影響的情況下發展起來的。
事實上，愛因斯坦發展狹義相對論是為了應對他那個時代的物理學家所面臨的一個簡單問題。它只需要高中數學就能理解。愛因斯坦的貢獻不是數學上的才華，而是願意去思考那些大多數人認為荒謬的想法，甚至不去思考它們。
光速不變
在19世紀，物理學家解釋了電磁學定律，要求宇宙有一個“首選的參照系”，即光在其中傳播的參照系。正如你在一輛與空氣相對運動的汽車裡感覺到風吹得更快一樣，物理學家們也認為他們會看到光運動得更快（或稍慢），這取決於地球在空間中的運動如何與光在其中運動的無形介質或以太相吻合。
然而，在19世紀80年代，阿爾伯特.邁克爾遜和愛德華.莫利的實驗顯示了一些非凡的東西--以太似乎根本不存在當地球繞著太陽運行時，它的方向會改變，所以它相對於以太的速度也會改變。但是，當邁克爾遜和莫雷仔細測量了一年中不同時間、不同方向的光速時，他們發現它們總是相同的。
這些結果確實有看奇怪的含義。
想象一下，當在高速公路上的車道上行駛時，試圖測量卡車的速度。卡車開得比你快一點，所以你可以看到它在爬行——首先它趕上了你的後輪，然後又趕上了你的後門。突然，你決定猛踩剎車。不過，卡車並沒有從你身邊飛馳而過，而是繼續向上爬——現在它與你的前門對齊了。你踩下油門，卡車就不會落在後面，它會繼續爬過你的前輪胎。最後，你完全停下你的車，然後下車——卡車仍然緩慢地駛過。
看起來卡車一直在跟蹤你的一舉一動，但是你會和一個在卡車另一邊第三車道上行駛的朋友比較特徵。她認為卡車一直在跟蹤她，即使她開車和你完全不同———在你停下來的同時快速前進，在你加速的同時減速！似乎不可能？也許可以，但邁克爾遜.莫利的實驗證明，如果卡車的行為像光束，這正是他們將要做的。
愛因斯坦的簡單的解決方案
許多物理學家尋找複雜的方法來否定邁克爾遜和莫雷的結果，但愛因斯坦做了一些不同的事情——他只是表面上接受了這些結果，並問如果光真的以如此奇怪的方式運動，會產生什麼後果？
愛因斯坦意識到，為了使光速保持不變，就像所有觀察者看到的那樣，其他所有人一直認為是恆定的東西也必須改變。兩個人相對對方移動的速度越快，他們對交通燈(或上面例子中的卡車的意見就越不一致，他們就越覺得對方一定有什麼不對勁。愛因斯坦指出，看起來不協調的東西必須是長度和時間一每個人都會觀察到另一個人沿著運動的方向收縮，他們的時鐘走得更慢。
儘管這些結果看起來很奇怪，但它們並沒有與其他物理定律產生任何矛盾，反而增進了我們對它們的理解。事實證明，如果我們接受狹義相對論，電磁學就不再需要任何一種“首選參考系”來運作。相反，它在您選擇的任何參考系中都能正確工作，沒有一個比其他的更受歡迎，並且不同參考系相對於彼此的運動速度是真正相對的，而不是絕對的。
圖解：光錐是閔可夫斯基時空下能夠與一個單一事件通過光速存在因果聯繫的所有點的集合。
從愛因斯坦的簡單觀察中，我們得到了許多更為深刻的見解，其中包括質量和能量的等價性(用著名的公式E=表示) 以及信息傳播速度永遠不會超過光速這一事實。這些想法和其他想法每天都在世界各地的粒子加速器中得到證實，在許多其他實驗中也是如此。
然而，從狹義相對論中得出的最重要的見解或許是，空間和時間並不是宇宙神聖不可變的背景，而是可以改變的東西，從一點到另點，從一個人到另一個人。正是這種洞察力為廣義相對論及其對引力的激進解釋鋪平了道路，其影響至今仍能感受到。
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3. curious
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