专栏：格外有用（beyond weird）
这是理想国的一个新栏目。我们不断遇到一些知识、信息，它们很有用，方便你养生致富，吹谈自如。我们很迫切想和你分享。它们又有些超出常格，听起来有点怪（举一个例子：躺平健身的可行性），但绝对不是瞎掰，背后一定有科学依据，包你惊喜，包你满意。
你知道引力波的奥秘，也藏在你的手机导航里吗？
下次遇到有人和你吹引力波，你就可以用标题这句话试着把聚光灯转移过来。
自2015年起，人类已经成功探测了两种不同发生源的引力波，这确实是21世纪里非常重要和伟大的事。因为，人类不但已经可以建设铺展数千米的干涉仪，探测这来自宇宙鸿蒙之初但又只有微米级细小的波动，彰显我们至广大而尽精微的现代科技能力，更是又一次次验证了来自一百多年的理论先声的正确性——对，一个世纪以前，人类中最杰出的智慧已经可以洞悉百年：这就是爱因斯坦和他的相对论，是人类预言、确信来自引力波，并一直坚持不懈探测至今，背后的奥秘。而相对论的奥秘远不止于此。
相对论的创立和确证过程中，有许多令人惊叹的实验（包括思想实验）、观测。本文从理想国新书《海滩上的爱因斯坦：带上相对论去度假》选出几个重要又好懂的，介绍给你，包括神秘兮兮、“亦具格调”的暗物质，当然也包括GPS的问题。
1.
 狭义相对论的起点：光速恒定危机
伽利略运动学（或说牛顿运动学）有一个众人皆知的特性：在该理论中，物体的速度是简单的叠加。例如你在一列以v2速度前进的火车中以v1的速度向前走，那么相对于铁轨来说，你前进的速度为v1+v2。这个理所当然的现象，却成了一个决定性危机的问题核心。
实际上，十九世纪的物理学家们慢慢发现光似乎没有遵守这一规则：它本应该与发出它的光源的速度叠加，可它却完全保持着匀速！这似乎是一个明显的谬误，却被阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷1887年的实验残酷地证实了。
十九世纪的物理学家认为，光要传播，需要一个占据整个空间的介质。他们把这种介质称为“以太”。光似乎是一种类似于波浪的波，以太之于光所扮演的角色就如大海之于波浪。
但根据伽利略和牛顿的运动学，如果光在以太中传播，且光源也在运动，那么光的速度应该与光源的速度叠加。通过测量不同的光（直觉上来说不同）的速度——一束光按照地球的运动轨道传播，另一束从相反的方向或者垂直的方向传播——人们应该可以明显看到以太相对于地球的运动：以太风。
1887年，美国物理学家迈克耳孙与莫雷使用了一台干涉仪（由迈克耳孙发明，与后来探测引力波的干涉仪基本结构相同）进行了这一实验。结果是否定的：无论光的传播方向为何，它总是有着相同的速度；没有任何“以太风”存在的征兆。
牛顿物理学无法应对光速恒定、也没有“以太”的危机，狭义相对论将应运而生。
迈克耳孙和莫雷实验及迈克耳孙的干涉仪
探测引力波的virgo干涉仪
2. 
比萨斜塔和坠落电梯：两次自由落体思想实验与广义相对论的起点
在伽利略物理学中有一条“等效原理”。最初它的表述接近于“自由落体的普遍性原理”：如果我们在同一高度同时放开多个物体，它们会承受相同的加速度并因此同时掉落在地上，无论它们的性质或成分如何。
石头、瓶子、锤子或树干，都不重要，它们都会同时到达地面。即使日常经验似乎与该原理相反，那是因为掉落的物体受到了空气的阻力这一“干扰因素”；我们可以在真空中做实验来检验该原理。
伽利略能提出这一原理是卓越不凡的，那时他还不能具体观测其有效性（他在比萨斜塔上进行实验只是一个传说）。他提出这个看法，凭借的是一个关于自由落体的思想实验。
设想有一轻一重两个铁球同时从比萨斜塔顶由静止开始而自由落下，如果我们信原先的理论，会说重球先落地，轻球下落慢于重球。那如果我们把两个球焊在一起呢？
一方面，我们得到一个更重的物体，它下落应该比单独的重球更快，另一方面，轻球下落慢于重球，焊在一起会拖慢重球的下落，整体的下落应该比单独的重球慢——这就出现了悖论。只有“下落一样快”的结论才能克服这个悖论。
牛顿在他的万有引力理论中则展示了这一“自由落体普遍性”是指物体的重力与其质量成正比。更准确地说，（阻止运动开始的）惯性质量与（在引力作用下启动物体的）引力质量是等值的。正是这两者的相互抵消保障了自由落体普遍性原理的有效性。
而爱因斯坦赋予该原理一个根本特性：就局部（即观察者当下进行测量的环境）而言，我们无法探测到加速效应与重力效应之间的差别：这两种效应不可区分。这成为了广义相对论的出发点。
我们再次开始一个关于自由落体的思想实验。想象一个“爱因斯坦电梯”的情境：一位地球上的观察者处在一部缆绳断掉的电梯内部。这部电梯当时正经历着具有恒定加速度的自由落体运动。观察者与电梯以相同的速度坠落：观察者像周围的物体一样在电梯舱内“飘浮”，不再感受到任何力量。
对他来说，这一情况与电梯静止在太空中、远离地球且不受任何重力（引力）作用完全一样。这意味着在电梯舱内部，没有任何因素可以让人知道他是身处地球引力场中加速坠落的自由落体电梯里，还是在没有任何引力的区域中没有重力的静止电梯里！
加速效应正好抵消了重力效应。事实上这两种效应的本质是一样的。爱因斯坦进行了大量的思考才使自己关于电梯实验的想法成熟（事实上他设想的是从屋顶跌落的工人，而非坠落的电梯）。
爱因斯坦等效原理
3.
 双生子悖论，及“时间变慢”
牛顿定义的绝对空间和绝对时间的概念，在我们的认知中是为所有人清楚定义的唯一时间和唯一空间，而爱因斯坦认为这只是骗人的表象。
我们之前认为的“时间的流逝”，其实应该由我们每个人自己来看作“固有时间”的流逝，只对自己一人有效而对任何其他人都无效，没有绝对性，没有通用性。
但是，在地球上，我们每个人的固有时间差别非常小；这就使我们所有地球人可以在我们地球人的层面将它们表述为唯一的时间，这就是我们一般习惯所称的“世界时间”。但其实我们无法定义任何有意义的整体时间概念。
固有时间这个概念提出后，引起了许多争议。非常著名的一个是由法国物理学家保罗·朗之万在1911年提出的“双生子‘思想实验’”：双生子中的一个留在地球上，另一个坐着高速宇宙飞船进入太空，然后再回来看望他那从没离开过地球的兄弟……他看到兄弟比自己更老。但他们是双生子，明明应该拥有相同的年龄。
这个悖论其实很好解释。实际上，兄弟二人各自经历自己的历史，二人互不相同。这两段历史由时空的两条不同曲线段代表（尽管它们有着共同的起点和终点）。
这两个曲线段的“长度”不同，分别对应双生子各自经历的（感觉的、测量的）固有时间长度。它们之间完全独立且不等值。
双生子实际上经历了两个不同的时长。但如果人们不尝试协调这一情况和一个（整体）时间的存在，这里并没有任何悖论。
这一解释在1971年以更现实的方式获得了证实。两台非常精确的原子钟分别被放到两架飞机上绕地球一圈——一架往东另一架往西——还有第三台时钟则被留在地球上用作参考标准。
相对论预计，在飞机起飞及回程之间，这三台时钟应该测量出三个不同的“固有时间”。而事实正是如此，差距为60至273纳秒（1纳秒等于十亿分之一秒）。非常微小的数值，但却证实了相对论！
[编辑：飞上太空，时间变慢。将来美容产业会大力投资开发“留住青春外太空之旅”服务吧。]
不同步的时钟
4.
 准确解释水星轨道移动
在我们的太阳系里，每颗行星都绕着太阳沿椭圆轨道运行。但这个椭圆并不是固定的：它慢慢地旋转。于是，轨道最靠近太阳的一点（近日点）在行星每次公转一周后都会略有移动。这一现象称为近日点进动。牛顿理论将这一现象归因于其他所有行星整体引力的影响。
天文观测确认了牛顿的大部分结论，除了离太阳最近的行星，水星。因仅靠计算发现了海王星而闻名的天文学家勒维耶，在1840年代就曾指出观测到的水星进动“过大”：每世纪574弧秒（也就是说每世纪0.16度，1弧秒等于1/3600度），比牛顿理论预计的值多出43弧秒。
这一区别微小但却意义重大，它来自哪里呢？因为水星轨道靠近太阳（水星近日点离太阳4600万千米，而地球的近日点离太阳为1.47亿千米），它尤其受太阳引力场影响。
从爱因斯坦理论的角度来说，根据广义相对论，水星运行在一个被太阳质量极大弯曲了的时空里；这一弯曲导致了近日点进动明显高于牛顿的预言。爱因斯坦在1915年得到的结论，完全符合对水星轨道的观测。
近日点进动
5.
 GPS也需要相对论来校准
GPS（全球定位系统）是个令人赞叹的工具，无论是为了找到开车更好的路线，在一个城市里辨认步行的标志，探索无人居住的区域还是在远洋航行，它的准确度都精确到了几米，许多人都很难离开它。为什么可以这样准确？
GPS基于一个在地球轨道上海拔约2万千米的卫星群（目前有30多个可利用）。这些卫星装备有原子钟，发出的无线电信号有着详细的日期记录。
使用者的GPS导航仪接收至少4个卫星发出的信号并计算它们到达自己所用的时间，于是可以算出自己与每个卫星的距离，随后结合每个卫星的具体位置，得到自己的位置。
按理说没有什么特别复杂的，除了爱因斯坦的相对论提到了的：卫星的固有时间与在地面的设备的固有时间并不相符！人们可以根据卫星的运行进行一次校正（狭义相对论效应）以及根据地球重力场进行另一次校正（广义相对论效应）。
这两次校正都非常微弱，以相对值来说约为十亿分之，但却在GPS的良好运行中扮演了重要角色。如果我们忽略它们，在仅仅几分钟之内系统就会失去准确性：多1微秒就是300米的误差！每当我们使用GPS系统成功找到了最优路线时，我们就在无意中确证了相对论！
6.
 时空幻影与引力透镜：“暗物质”的作用？
1919年的日全食时人类首次观察到了相对论所称的时空弯曲：由于光线的弯曲，一颗恒星的影像在天穹上移动了位置。1930年代，爱因斯坦计算出一个相似的效应：来自非常遥远的天体的光可能因同一条直线上、离我们更近的星系（或星团）而产生偏转。
结果振奋人心：前景天体产生的弯曲能够放大远处天体的影像，正如望远镜的镜片一样！我们将这种前景大质量天体称为“引力透镜”。
这还没完：引力透镜也可以使远方天体的影像变形和增强。我们于是可以观察到一种“多重天空幻影”——天体位移和变形了的影像：原天体的光在到达我们所在的位置前被透镜偏转，经历了不同的路径。
第一个引力透镜于1979年发现。这是一个类星体（quasar）的重复影像，该天体非常明亮，距离我们有几十亿光年的距离。1987年以来，天文学家们观察到了许多“引力弧”——这是许多遥远星系的影像，因为更近处的大质量星团而变形。有时，这些影像分布在透镜周围的一圈上并形成一个“引力环”。
对所有这些效应的观测都以令人震惊的方式确认了广义相对论。但引力透镜的作用并不止于此。一方面，它们引起的放大使我们能够研究远处的天体，没有它们，这些遥远的天体则达不到能够被观测到的亮度。
另一方面，对于所产生效应的分析——影像的放大、变形、倍减——为我们提供了有关引力透镜本身情况的信息：它的大小、形状、质量……甚至其内部质量分布的情况，即便这涉及不可见物质！
这使得天文学家们能够建立一张真正的透镜物质“图表”，包括其不可见的组成部分。这些结果似乎确认了宇宙中的大部分质量是以不可见的形态存在，一种我们还不了解的“暗物质”。
引力透镜与多重幻影

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海滩上的爱因斯坦：带上相对论去度假
著者：【法】马克·拉谢兹-雷伊
译者：龚蕾
理想国，2017年11月
（点击“阅读原文”可购买）
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专家写给大家的小科普，没有数学门槛的相对论。

助你轻松升级时空观，优雅地谈论引力波。
《海滩上的爱因斯坦》将带领我们回到20世纪的物理学界，讲述以爱因斯坦为首的物理学家们提出、完善和验证相对论的历史，还原物理学家们在发现既有的牛顿物理学、伽利略运动学无法解释一些物理现象时，如何提出种种新的解释，最后怎样不可避免地跨出革命性的一步，走向更加精妙、简洁的相对论。人类对于时间、空间、速度以及引力等基本概念的认知就此改写。
从狭义相对论到广义相对论，相对论开创了全新的宇宙学，本书会在超过一半的篇幅里介绍相对论和宇宙学是如何变得越来越不可分割的：爱因斯坦是怎样给宇宙学定下基本研究框架的，爱因斯坦之后的科学家们如何结合观测实验数据推翻其中的关键假设并得到了新的结论：宇宙从未停止膨胀，宇宙始于一次大爆炸……神奇的是这些新的观点非但没有把爱因斯坦和他的理论一起埋进故纸堆，反而进一步证明了广义相对论的有效性！
最后的章节里，作者讲述了物理学家们观测中子星（脉冲星）、发现引力透镜和引力波的故事，解释了物理学家们如何利用相对论来探测和研究黑洞。
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