广义相对论如何解释为何物体下落？
自由下落和最大适当时间。
物体下落，我们非常熟悉。但物体为什么下落，知道的人却比较少。我们通常所说“重力”，那是牛顿的经典物理学的观点。
而在广义相对论中，我们将一个下落的物体视为无受力（如空气阻力等要忽略）物体，但是其运动遵循时空的“最直”路径。在普通的空间中，最直的路径就是，两点之间线段最短。在平面上实际就是一条直线，在球形表面则是一个大圆，比如说像赤道一样。
图1 平面直线与球面直线
在时空中，有物体的距离是有几分不同的：两点不是简单的空间中的点，而是时空中的点。在两点（又称事件）之间最短的路径，现在是一条穿过时空的路径，比如一条路径能够让物体能够在时空中穿梭。两个事件之间的时空间隔的大小可以被计算出来。也就是说在广义相对论中，起决定作用的只有一点，即质点以尽可能长的时间沿着这种连接路径通过，就是两个事件之间最直的连接路径。
图2 时空——Wikipedia
为什么时间要尽可能的长？有两种原因：其一，根据狭义相对论，小球运动得越快，其时间流逝得越慢。在正常速度下，这种影响很小，假设小球以恒定的速度5m/s运动一秒，这种影响可以导致小球实际运动得时间比一秒只少一点儿，大约少0.14飞秒。一飞秒是一秒的千万亿分之一——这种影响极其的小！
除此之外，还有第二种影响：根据广义相对论，时间在高海拔（离地球很远）过得快一点儿。如果一秒钟在0海拔处流逝了一秒，在5米处就多过了0.55飞秒。
这两种影响同时确保了一个下落的小球会以增加的速度下落。除了引力时间膨胀因素，两事件在时空的最直连接因此以恒定速度通过。因此，根据牛顿定律，未受力的物体也以恒定速度移动。当然，除非时空被弯曲了。如果只有这种影响（引力时间膨胀），然后对于小球来说在第一阶段（如2.5m）当然最好是尽可能的慢，因为更深一阶段（5m）的时间流逝得更快。但是正因为有两种因素都影响，我们不得不两个都考虑。因此小球应该在第一阶段慢一点儿，在第二阶段快一点儿，以便从两种因素中得到一个折中的结果。
下落小球的世界线是一条抛物线，你可能在物理课上学到过。那时候你学到一些事情，比如关于“重力”和“加速度”——事实上小球只是遵循时空最大合适时间，因为这是最直的线。
图3
广义相对论（GR，也称作GTR）是阿尔伯特·爱因斯坦在1915年发表的几何引力理论和现代物理学中对引力的当下描述。广义相对论概括了狭义相对论，并改进了牛顿的宇宙引力定律，提供了一个描述，即引力作为空间和时间，或时空的几何特性的一体性描述。特别是，时空的曲率直接与能量和动量有关，这些能量和动量是目前无论任何物质和辐射的能量和动量。该关系被爱因斯坦的场方程明确证明是一个部分不同方程组的系统。
图4 爱因斯坦的著作
一些广义相对论的预测与那些经典物理学有明显不同，特别是考虑到时间的航程、空间的几何特性、自由下落过程中物体的移动，以及光的传播等因素。这些不同的例子包括引力时间膨胀（延缓）、引力透镜效应、光的引力红移，和引力时间延迟效应。到目前为止，广义相对论的预测相比于经典物理学的不同之处已经在所有观察和实验中被证实。尽管广义相对论并不是唯一的引力相关理论，但是它却是由实验数据构成的最简单的理论。然而，仍然存在未解之谜，比如量子物理学定律如何适应最基本的广义相对论因而产生一个完整的自相关量子引力理论。
图5 黑洞
爱因斯坦的理论暗示重要的天体物理学。例如，其暗示了黑洞的存在——以这样一种方式，即任何物质、甚至光都不能逃脱的时空扭曲的区域——即大质量行星的最终形态。我们有充足的证据证明某些种类的天体散发出的巨大的辐射能源于黑洞。例如，由于恒星黑洞和超级黑洞的存在分别产生微类星体和活跃星系核。引力造成的光线的弯曲能够导致引力膨胀的现象，即相同距离的天体在夜空中可以看见数量众多的图像。广义相对论也预测了引力波的存在，引力波已经被物理合作LIGO（激光干涉引力波天文台）直接观测到。
图6 LIGO天文台
除此之外，广义相对论是一直膨胀的宇宙现代宇宙哲学的模型的基础。作为一个卓越的典范理论被广泛认知，广义相对论经常被评论为现行的物理学理论中最出色的一个。
作者: Toni Sementana
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