极简广义相对论（3）

从狭义相对论到广义相对论

谈爱因斯坦广义相对论之前，我们先一起回到1905年。这时，科学家们已经不仅用数和几何的方式量化了力和动能，还量化了电磁能、光能（电磁和光其实是一回事，这里就不展开了）、热能等自然语言。

我们之前所提到的“伽利略相对性原理”是说：在任何惯性系中，力学规律保持不变。然而当时已经接触到电磁学、光学、热力学的爱因斯坦就不干了，他觉得上帝是不会偏袒任何物理规律的，既然力学在惯性系中保持不变，那热力学、电磁学、光学也应当获得和力学一样的待遇。于是通过努力求证和试验，爱因斯坦提出了升级版的“爱因斯坦相对性原理”，即“在任何惯性系中，所有物理规律保持不变”。

正是在“爱因斯坦相对性原理”的逻辑支持下，爱因斯坦在1905年发表了《论动体的电动力学》这篇震惊全球的学术论文，独立而完整地提出狭义相对性原理，开创了物理学的新纪元。这一年也因此被称为“爱因斯坦奇迹年”。

等效原理

理解了“爱因斯坦相对性原理”，我们再来看看惯性系这个概念。我们知道惯性系是指相对静止或相对匀速直线运动这两种状态。可现实中满足“惯性系”的条件太少了，狭义相对论确实伟大，对于现实生活中可解释的问题太局限了，因为这些问题不是满足相对静止就得满足匀速直线运动。科学的伟大在于指导具体生产生活可实践性和可重复性，不是为了“理论”而“理论”。

爱因斯坦想通了以上的问题，用“等效原理”解决了“惯性系”过于局限的问题。关于“等效原理”的过程就不推导了，直接说结论：“加速度和引力相等”，也就是惯性质量和引力质量相等。惯性和引力是完全两种不同的物理属性，不能混为一谈，但在物理量上，它们是相等的。别小看这条“等效原理”，在其逻辑支持下，加速度运动（包括自由落体）、非直线运动的参考系都可转化为“惯性系”，这样的话，相对论的理论就可以延伸到几乎全部运动状态的研究范畴。相对论也就从狭义（Special）升级到了广义（General）。

随后在广义相对论原理和等效原理的基础上爱因斯坦又进行了一系列的实验，推导出引力使时空弯曲、黑洞甚至虫洞（虫洞还未被证实）一系列的理论。这里要特别说明一下，时空弯曲的理论在引力波在2016年被观测到时证明了其的正确性，所以时空弯曲可以称之为“原理”。而黑洞至今（2019年3月）还未被人类观测到，也就无法证明黑洞的存在，只能称之为“假说”（其实所有的自然科学研究都是从假说开始的，先有假说，后有求证），但这个“黑洞假说”理论是被广大科学界人士团体认可的，所以我们虽未直接观测到，也可以说“黑洞假说”理论是被“证实”的。而“虫洞假说”的理论接受度相较“黑洞假说”要低一个量级，所以从这个角度上来看，我们也可以说“虫洞假说”理论未被“证实”。

广义相对论在人类社会中的应用

说到相对论的社会应用，和小伙伴们最息息相关的当属全球卫星导航系统了。航空、航海、通信、测绘以及娱乐消费行业都和它有交集。比如各种地图App的导航功能、个人追踪定位功能、包括即将到来的无人驾驶技术和物联网IoT，都是通过全球卫星导航系统来实现的。

在卫星导航系统领域，目前在全球有四个成熟的系统，分别是美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、欧洲伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system）和中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）。其中覆盖范围最广、现阶段技术最完善的是GPS系统。

今天我们就说说GPS系统，GPS系统的原理是：环绕地球的24颗人造卫星负责向地面的用户终端（GPS接收器）广播信号，电磁波的传输速度是光速c，一发送一接收，根据时间差和光速，便可求出接收器距卫星的距离。再用4个卫星精确求出接收器的空间坐标，那么接收器的位置就确定了，你也就知道你的实时位置在哪里了。

而狭义相对论指出了卫星上的高速运动的时钟会比地面上的时钟走得慢，广义相对论又指出地球对卫星引力的影响较地面弱，卫星时钟走的比地面上快。结论是广义相对论效应更显著，快和慢抵消后卫星时钟每天比地面时钟大约快38微秒（0.000038秒）。别小看这38微秒，如果不校正的话，累积误差可达到垂直方向上10公里。影响卫星测距定位的误差还有很多，比如星历时钟（铯原子）本身的误差，虽然误差很小很小，但不修正是会导致定位偏差的。还有来自信号传输速度不稳定的误差，从卫星到地球表面不是真空，因此光速并不恒定。而且地球上还有电离层，会造成信号传输的延时。地球本身自转速度不均匀等等，以上这些误差都需要工程师们分门别类的找到和解决。

可以想象一下，如果人类没有相对论，这个类型的误差是无论如何也找不出来的。解决问题的前提条件是找到问题，问题是什么都不知道，解决问题就更无从谈起了。