有人覺得廣義相對論很難理解，為什麼時空一定得彎曲、扭曲或形變？

對於大多數不需要天體運算，或擺弄數學公式的普通人來說，其實你不用把它想得那麼複雜，你到是可以先思考思考你的體重。你最近是不是又圓潤了，攢了一身的冬膘？

你知道嗎？你的體重與廣義相對論的發現有著千絲萬縷般的關係。所以今天我們樸素地先從重力聊起。

重力的實質是什麼？當然是引力咯。這似乎是隨口就能回答的問題。但在層層推進這個問題的時候，我發現了廣義相對論最最核心的思想。

普通人理解的重力

地球上的任何物體，無論是在中國還是美國，在喜馬拉雅山還是太平洋，或者任何地方，都被朝向地球中心方向的力牢牢按在地面上摩擦。這個朝向地球中心的力就是我們常說的重力，然而這並不是重力的全部事實。

地球是旋轉的，裹挾著依附於它的萬物生靈一起。事實上我們一直在宇宙中做著圓周運動，因此在身上會產生一股離心力，我們之所以沒有被這股離心力甩出去，是因為引力的一個分力剛好將其抵消，而剩下的另一個分力才是重力。當然也可把重力理解為引力與離心力的合力，這就是重力的實質。

因此，嚴格來說重力並不指向地球中心，而略微有點偏差，只是這個偏差微乎其微。因為地球上的離心力相對於引力來說，太弱了。

以地球上的線速度計算公式：V=COSθ*(R+h)*2π/T（V是線速度，T是自轉周期，R是赤道半徑，h是海拔高度，θ為地理緯度），可以算出赤道地區線速度最大，時速大約為1677千米，即466 米/秒。這個速度看似很快，超過了標準大氣壓下340米/秒的音速，但其產生的離心力僅約等於引力的1/290。

所以就實際應用來說，「重力等於引力」的結論並不算錯。但實際運用中，卻會導致一些相關概念的混淆。

重量一詞，應用一直很模糊

由於「重力等於引力」的日常認知，重量這個詞在實際運用中其實相當含糊，因為我們基本把它等同於質量。

「你體重多少？」「60公斤。」

中學課本里將重量解釋為物體受到重力的大小，但我們日常生活中被問到一個東西多重，回答的卻是描述質量的詞：公斤、斤、千克、克……或者我們常常在質量單位後加一個「重」字就表示重量了。

然而這樣的用法容易給人造成混淆，而用真正表示力的單位：N（牛頓）可能更適合。在地球上，1牛頓等於102克重。

之所以要這樣分，是因為102克無論在哪都應該是102克，即便在月球上也是如此，但1N在月球上卻會變成約0.17N。也就是說，同一物體的重量在月球上大約只要原來的1/6，因為月球的表面重力只有地球上的1/6。

質量是物體的內稟屬性，不隨環境的變化而變化，而重量則不同。

另外，即便在地球上，如果我們僅以「秤」來衡量我們的體重，其實也不是很恰當。即便用一個絕對標準的「秤」來測，在地球上我們同樣可以測得只有1/6的體重，甚至是0體重。

你體驗過失重嗎？

重量為0，也就是重力為0，我們常說的失重狀態。在你的觀念里，或許只有太空人才能在宇宙空間中享受到這一待遇，失重狀態可以讓你不再為體重發愁了。太空人們可以在國際宇宙空間中表演各種有趣的漂浮術，其秘訣並不在於他們身處太空中，而在於第一宇宙速度：7.9千米/秒。

國際空間站連同太空人們一起以第一宇宙速度圍著地球公轉，離心力剛好抵消了引力，才產生了重力為0 的效果，這讓他們看起來漂浮在了空中。要想增大離心力，要麼你讓地球轉快點，要麼就只有靠你自己運動起來。所以說，運動不僅能燃脂瘦身，還能讓你跑起來的時候體重輕那麼一點點。

總之，在失重的狀態中，你就算肥得溜圓，體重也只為0。

如果只是想感受一下失重狀態，也不一定非要坐著火箭駛向太空。在自由落體的電梯中，或緊急下降的飛機中，只要達到9.8m/s^2的向下加速度，你就能刺激地體驗一把了，這個加速度也就是地球上的重力加速度。

而愛因斯坦就是在思考墜落的過程中，想到了引力與加速度在某種程度上給人的感覺是完全一樣的。從此愛因斯坦發現了等效原理。

失重背後最深刻的物理思想

墜落的過程，或許才是宇宙的常態。常見的失重現象背後，是至今我們對宇宙最為深刻的洞見之一。運用等效原理的思想，引力可以局部「消除」轉化為加速度，而「消除」了引力的參考系就是慣性系。這種慣性系的定義可以說，比以牛頓運動定律定義的慣性系要深刻得多，且更具普適性。

補充一點，「慣性定律」是牛頓提出來的，但傳統「慣性系」的定義並不是牛頓提出的，而是1885年由德國物理學家提出的。慣性系被定義為牛頓運動定律在其中有效的參考系，且a=0。這種定義在今天看來顯得過去局限，就像為了使一個定律成立，而定義了一個物理概念。

還有一種表述方法是：「慣性系就是不受已知作用力，或已知作用力合力為0的參考系。」但由於引力的無處不在，這樣的慣性系幾乎在實際的宇宙空間中找不到，這讓原有的物理理論在宇宙空間的尺度上，難免顯得紙上談兵。

而在等效原理揭示，任何重力場都可與以適當加速度運動的參考系等價，即在任何一個時空點，都一定存在一個局部的慣性系。

只要確立局部慣性，廣義相對論可以適用於宇宙萬物的宏觀運動。相對論場方程里也可以消除引力這一個物理量，取而代之的是黎曼描述「非均勻時空」的曲率，所以引力不再是傳統意義上的力，而成了時空的彎曲。

所以時空可彎曲，某種意義上來說是黎曼幾何賦予的。我們畢竟無法直接觀察時空，但一切與時空相關的物理現象都被相對論描述地很好。天文物理學家都愛相對論，是因為只要確定好局部慣性系，愛因斯坦的場方程就能描述宇宙中任何一處地方與天體運動。

另外，場方程之所以在黑洞奇點處會失效，是因為無窮大的引力無法對應具體的加速度，也就找不到它的局部慣性系。

而當你掉進黑洞，你永遠無法失重。你還是那個胖子，甚至更重，當然你無暇考慮這個問題。

思考總結

對事物直觀簡單的描述，有時會混淆不同的概念，影響我們對事物的認知。正如我們所有的語言與思想都受環境影響，雖然在運用上不影響我們的日常生活，卻嚴重影響我們進一步思考。缺少正確的概念坐標就像缺少一根指南針，我們可以在一個小圈子裡生活，卻永遠無法出海。

而科學的價值不在於解決問題，而在於提出更多的問題去探索，不停提問以構建更全面的認知，這一過程就像填海一樣。我們被遺棄在未知汪洋的孤島上，目光也只能觸及近旁，我們努力使島變得更大，同時也拓展出更多未知的海岸線。