时空是怎样弯曲的：图解广义相对论

1.讲解清晰，思路清楚，循序渐进，可引导读者轻松了解相对论的发展过程。 2.配有大量简图、示意图，有助于读者理解。 3.作者为哔哩哔哩up主，读者可通过平台与作者互动及了解更多知识。

 

运动的钟变慢，运动的直尺缩短；靠近地球的钟变慢，靠近地球的直尺变长。这些改变让地球周围的时间和空间变得不均匀。这种不均匀性在几何上的表现就是时空弯曲，在物理上的表现就是苹果掉下来。这些结论就是相对论的主要内容，本书采用直观的示意图对这些内容做了详细的解释说明。比如采用时空图解释了时间为什么变慢、空间为什么收缩，采用折叠时空解释了地球周围时间为什么变慢、空间为什么变长。利用时间和空间的不均匀性解释了时空是怎样弯曲的，特别对时间的弯曲做了详细说明。
本书图文并茂，深入浅出，适合对相对论感兴趣的广大读者阅读，也可作为学习相对论的辅助读本。

沈贤勇，网名@川山洞主，四川乐山人，2015年毕业于上海师范大学天体物理中心，获博士学位，研究方向为引力修改与暗能量，现任教于浙江树人学院，已出版《破解引力-广义相对论的诞生之路》。

地球让时间流逝的快慢和空间长度变得不均匀，时间和空间的不均匀性反过来让物体呈现出运动的状态，以抵消这种不均匀性——这就是广义相对论的核心内容。比如说，每隔1亿年，苹果树下的时间就要比苹果树上的时间慢1秒（s），但就这么一点点微小的变慢却是苹果掉下来的原因。
在广义相对论诞生之后的一百多年里，有很多人试图把这个理论简化，让大家更好理解，其中最著名的一句话是“物质告诉时空如何弯曲，时空弯曲告诉物体如何运动”。但对多数人而言，这句话仍然难以理解，比如：时空到底是怎样弯曲的？时空弯曲又是怎样告诉物体运动的？
这句话难以理解的一个原因在于时空都是在朝我们不可感知的维度上弯曲的，我们很难画出全部弯曲的直观图像。另外一个原因是很多时候科普资料通常只画出空间的弯曲图，而时间的弯曲常常被省略了。这种省略导致大家误以为苹果下落和行星运动是由空间弯曲产生的，但实际上它们都来自时间的弯曲。
为了克服这些困难，本书尝试了一种全新的诠释方法。比如用示意图展示空间的真实长度与看上去的长度、时间的标准长度与体验长度，再配以大量直观的简图，对时空怎样弯曲进行展示说明，特别是对时间怎样弯曲做了详细解释。然后以此为基础，再采用直观图形去解释苹果下落和行星运动为什么来自时间的弯曲，而空间弯曲为什么对水星进动和光线弯曲产生贡献。
当然，如果能够避开时空弯曲这样的几何概念，那就可以大大降低理解难度。所以，本书最后一章尝试通过大量直观的示意图，直接去解释地球为什么能让时间流逝变慢、让空间长度变长，也就是地球为什么让时间和空间变得不均匀。然后再配以直观的示意图，直接去解释时间的不均匀性如何反过来导致苹果下落和行星运动，即详细解释了重力为什么起源于时间流逝的不均匀性。而且，这种解释方式也可以帮助大家更好地理解什么是时空的弯曲。
对于狭义相对论，也有很多大家难以理解和容易产生误解的地方。比如时间为什么会变慢，空间为什么会收缩。再比如光速不变常常被误以为是相对论存在的原因。这种误解往往是很多科普资料沿着历史顺序去介绍狭义相对论的诞生过程所造成的。所以，本书采用另外一种方式去解释狭义相对论的诞生过程。比如相对论效应最开始是如何在电磁现象中暴露出来的，电场和磁场的相对论效应又是如何导致光速不变的。另外，配以直观的示意图，采用时空这个对象，书中还详细解释了时间为什么会变慢，空间为什么会收缩。
对于爱因斯坦最著名的灵感——等效原理，以往通常采用自由下落的电梯对其解释说明。但等效原理所蕴含的本质思想远比这深刻丰富。所以，本书沿着从亚里士多德到爱因斯坦的历史顺序，把两千多年来对苹果下落的各种解释方案进行了梳理，从而让大家清晰地看出等效原理的本质思想，那就是：苹果的自由下落只不过是一种在地球存在情况下的惯性运动而已。这个本质思想也是广义相对论的核心结论之一。
科普写作的难度在于如何既要通俗易懂，又要保持知识的准确性。很多情况下不得不在两者之间做出牺牲。比如，为了提高趣味性，常常引入大量故事和趣闻轶事，但这并不能帮助读者准确理解所科普的专业知识；反过来，为了追求准确性和专业性，常常引入太多的专业术语，这又会让读者感觉晦涩难懂，无法阅读。而本书则是通过以下两种方式做到内容的通俗易懂。
第一种方式：将专业知识拆分成一连串容易理解的小知识点，一直拆分到利用日常生活中熟悉的场景就能展示说明的程度。然后通过简化之后的逻辑关系，把这些小知识点串联起来，再去说明专业知识。此方式可以避免引入太多专业术语。所以，本书不会出现像参考系、惯性系、伽利略变换、洛伦兹变换、以太、相对性原理等一大堆让大家头痛的专业术语，采用的都是日常用语。
第二种方式：采用直观的示意图。图像是帮助理解的最有效方式。有些相关文献中采用的图片大多只是对引入的故事、趣闻轶事等内容进行图示化，或者说与知识点关联性不大。本书尝试将相关知识点、知识点间的逻辑关系甚至推理过程都转化成直观性非常强的示意图，真正做到图解相对论。
通过以上这些尝试，希望本书能帮助大家理解广义相对论所呈现出来的世界真实模样。如果想要系统学习广义相对论或了解更多细节，欢迎阅读笔者已出版的《破解引力：广义相对论的诞生之路》。
虽然经过多遍仔细修改，书中不妥和疏漏之处仍在所难免，恳请读者批评指正。

沈贤勇@川山洞主
2023年4月21日于杭州