有人觉得广义相对论很难理解，为什么时空一定得弯曲、扭曲或形变？

对于大多数不需要天体运算，或摆弄数学公式的普通人来说，其实你不用把它想得那么复杂，你到是可以先思考思考你的体重。你最近是不是又圆润了，攒了一身的冬膘？

你知道吗？你的体重与广义相对论的发现有着千丝万缕般的关系。所以今天我们朴素地先从重力聊起。

重力的实质是什么？当然是引力咯。这似乎是随口就能回答的问题。但在层层推进这个问题的时候，我发现了广义相对论最最核心的思想。

普通人理解的重力

地球上的任何物体，无论是在中国还是美国，在喜马拉雅山还是太平洋，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。这个朝向地球中心的力就是我们常说的重力，然而这并不是重力的全部事实。

地球是旋转的，裹挟着依附于它的万物生灵一起。事实上我们一直在宇宙中做着圆周运动，因此在身上会产生一股离心力，我们之所以没有被这股离心力甩出去，是因为引力的一个分力刚好将其抵消，而剩下的另一个分力才是重力。当然也可把重力理解为引力与离心力的合力，这就是重力的实质。

因此，严格来说重力并不指向地球中心，而略微有点偏差，只是这个偏差微乎其微。因为地球上的离心力相对于引力来说，太弱了。

以地球上的线速度计算公式：V=COSθ*(R+h)*2π/T（V是线速度，T是自转周期，R是赤道半径，h是海拔高度，θ为地理纬度），可以算出赤道地区线速度最大，时速大约为1677千米，即466 米/秒。这个速度看似很快，超过了标准大气压下340米/秒的音速，但其产生的离心力仅约等于引力的1/290。

所以就实际应用来说，“重力等于引力”的结论并不算错。但实际运用中，却会导致一些相关概念的混淆。

重量一词，应用一直很模糊

由于“重力等于引力”的日常认知，重量这个词在实际运用中其实相当含糊，因为我们基本把它等同于质量。

“你体重多少？”“60公斤。”

中学课本里将重量解释为物体受到重力的大小，但我们日常生活中被问到一个东西多重，回答的却是描述质量的词：公斤、斤、千克、克……或者我们常常在质量单位后加一个“重”字就表示重量了。

然而这样的用法容易给人造成混淆，而用真正表示力的单位：N（牛顿）可能更适合。在地球上，1牛顿等于102克重。

之所以要这样分，是因为102克无论在哪都应该是102克，即便在月球上也是如此，但1N在月球上却会变成约0.17N。也就是说，同一物体的重量在月球上大约只要原来的1/6，因为月球的表面重力只有地球上的1/6。

质量是物体的内禀属性，不随环境的变化而变化，而重量则不同。

另外，即便在地球上，如果我们仅以“秤”来衡量我们的体重，其实也不是很恰当。即便用一个绝对标准的“秤”来测，在地球上我们同样可以测得只有1/6的体重，甚至是0体重。

你体验过失重吗？

重量为0，也就是重力为0，我们常说的失重状态。在你的观念里，或许只有宇航员才能在宇宙空间中享受到这一待遇，失重状态可以让你不再为体重发愁了。宇航员们可以在国际宇宙空间中表演各种有趣的漂浮术，其秘诀并不在于他们身处太空中，而在于第一宇宙速度：7.9千米/秒。

原版复制的国际空间站

国际空间站连同宇航员们一起以第一宇宙速度围着地球公转，离心力刚好抵消了引力，才产生了重力为0 的效果，这让他们看起来漂浮在了空中。要想增大离心力，要么你让地球转快点，要么就只有靠你自己运动起来。所以说，运动不仅能燃脂瘦身，还能让你跑起来的时候体重轻那么一点点。

总之，在失重的状态中，你就算肥得溜圆，体重也只为0。

如果只是想感受一下失重状态，也不一定非要坐着火箭驶向太空。在自由落体的电梯中，或紧急下降的飞机中，只要达到9.8m/s^2的向下加速度，你就能刺激地体验一把了，这个加速度也就是地球上的重力加速度。

而爱因斯坦就是在思考坠落的过程中，想到了引力与加速度在某种程度上给人的感觉是完全一样的。从此爱因斯坦发现了等效原理。

失重背后最深刻的物理思想

坠落的过程，或许才是宇宙的常态。常见的失重现象背后，是至今我们对宇宙最为深刻的洞见之一。运用等效原理的思想，引力可以局部“消除”转化为加速度，而“消除”了引力的参考系就是惯性系。这种惯性系的定义可以说，比以牛顿运动定律定义的惯性系要深刻得多，且更具普适性。

补充一点，“惯性定律”是牛顿提出来的，但传统“惯性系”的定义并不是牛顿提出的，而是1885年由德国物理学家提出的。惯性系被定义为牛顿运动定律在其中有效的参考系，且a=0。这种定义在今天看来显得过去局限，就像为了使一个定律成立，而定义了一个物理概念。

还有一种表述方法是：“惯性系就是不受已知作用力，或已知作用力合力为0的参考系。”但由于引力的无处不在，这样的惯性系几乎在实际的宇宙空间中找不到，这让原有的物理理论在宇宙空间的尺度上，难免显得纸上谈兵。

而在等效原理揭示，任何重力场都可与以适当加速度运动的参考系等价，即在任何一个时空点，都一定存在一个局部的惯性系。

只要确立局部惯性，广义相对论可以适用于宇宙万物的宏观运动。相对论场方程里也可以消除引力这一个物理量，取而代之的是黎曼描述“非均匀时空”的曲率，所以引力不再是传统意义上的力，而成了时空的弯曲。

所以时空可弯曲，某种意义上来说是黎曼几何赋予的。我们毕竟无法直接观察时空，但一切与时空相关的物理现象都被相对论描述地很好。天文物理学家都爱相对论，是因为只要确定好局部惯性系，爱因斯坦的场方程就能描述宇宙中任何一处地方与天体运动。

另外，场方程之所以在黑洞奇点处会失效，是因为无穷大的引力无法对应具体的加速度，也就找不到它的局部惯性系。

而当你掉进黑洞，你永远无法失重。你还是那个胖子，甚至更重，当然你无暇考虑这个问题。

思考总结

对事物直观简单的描述，有时会混淆不同的概念，影响我们对事物的认知。正如我们所有的语言与思想都受环境影响，虽然在运用上不影响我们的日常生活，却严重影响我们进一步思考。缺少正确的概念坐标就像缺少一根指南针，我们可以在一个小圈子里生活，却永远无法出海。

而科学的价值不在于解决问题，而在于提出更多的问题去探索，不停提问以构建更全面的认知，这一过程就像填海一样。我们被遗弃在未知汪洋的孤岛上，目光也只能触及近旁，我们努力使岛变得更大，同时也拓展出更多未知的海岸线。