地球讓時(shí)間流逝的快慢和空間長(cháng)度變得不均勻，時(shí)間和空間的不均勻性反過(guò)來(lái)讓物體呈現出運動(dòng)的狀態(tài)，以抵消這種不均勻性——這就是廣義相對論的核心內容。比如說(shuō)，每隔1億年，蘋(píng)果樹(shù)下的時(shí)間就要比蘋(píng)果樹(shù)上的時(shí)間慢1秒（s），但就這么一點(diǎn)點(diǎn)微小的變慢卻是蘋(píng)果掉下來(lái)的原因。
在廣義相對論誕生之后的一百多年里，有很多人試圖把這個(gè)理論簡(jiǎn)化，讓大家更好理解，其中最著(zhù)名的一句話(huà)是“物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空彎曲告訴物體如何運動(dòng)”。但對多數人而言，這句話(huà)仍然難以理解，比如：時(shí)空到底是怎樣彎曲的？時(shí)空彎曲又是怎樣告訴物體運動(dòng)的？
這句話(huà)難以理解的一個(gè)原因在于時(shí)空都是在朝我們不可感知的維度上彎曲的，我們很難畫(huà)出全部彎曲的直觀(guān)圖像。另外一個(gè)原因是很多時(shí)候科普資料通常只畫(huà)出空間的彎曲圖，而時(shí)間的彎曲常常被省略了。這種省略導致大家誤以為蘋(píng)果下落和行星運動(dòng)是由空間彎曲產(chǎn)生的，但實(shí)際上它們都來(lái)自時(shí)間的彎曲。
為了克服這些困難，本書(shū)嘗試了一種全新的詮釋方法。比如用示意圖展示空間的真實(shí)長(cháng)度與看上去的長(cháng)度、時(shí)間的標準長(cháng)度與體驗長(cháng)度，再配以大量直觀(guān)的簡(jiǎn)圖，對時(shí)空怎樣彎曲進(jìn)行展示說(shuō)明，特別是對時(shí)間怎樣彎曲做了詳細解釋。然后以此為基礎，再采用直觀(guān)圖形去解釋蘋(píng)果下落和行星運動(dòng)為什么來(lái)自時(shí)間的彎曲，而空間彎曲為什么對水星進(jìn)動(dòng)和光線(xiàn)彎曲產(chǎn)生貢獻。
當然，如果能夠避開(kāi)時(shí)空彎曲這樣的幾何概念，那就可以大大降低理解難度。所以，本書(shū)最后一章嘗試通過(guò)大量直觀(guān)的示意圖，直接去解釋地球為什么能讓時(shí)間流逝變慢、讓空間長(cháng)度變長(cháng)，也就是地球為什么讓時(shí)間和空間變得不均勻。然后再配以直觀(guān)的示意圖，直接去解釋時(shí)間的不均勻性如何反過(guò)來(lái)導致蘋(píng)果下落和行星運動(dòng)，即詳細解釋了重力為什么起源于時(shí)間流逝的不均勻性。而且，這種解釋方式也可以幫助大家更好地理解什么是時(shí)空的彎曲。
對于狹義相對論，也有很多大家難以理解和容易產(chǎn)生誤解的地方。比如時(shí)間為什么會(huì )變慢，空間為什么會(huì )收縮。再比如光速不變常常被誤以為是相對論存在的原因。這種誤解往往是很多科普資料沿著(zhù)歷史順序去介紹狹義相對論的誕生過(guò)程所造成的。所以，本書(shū)采用另外一種方式去解釋狹義相對論的誕生過(guò)程。比如相對論效應最開(kāi)始是如何在電磁現象中暴露出來(lái)的，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相對論效應又是如何導致光速不變的。另外，配以直觀(guān)的示意圖，采用時(shí)空這個(gè)對象，書(shū)中還詳細解釋了時(shí)間為什么會(huì )變慢，空間為什么會(huì )收縮。
對于愛(ài)因斯坦最著(zhù)名的靈感——等效原理，以往通常采用自由下落的電梯對其解釋說(shuō)明。但等效原理所蘊含的本質(zhì)思想遠比這深刻豐富。所以，本書(shū)沿著(zhù)從亞里士多德到愛(ài)因斯坦的歷史順序，把兩千多年來(lái)對蘋(píng)果下落的各種解釋方案進(jìn)行了梳理，從而讓大家清晰地看出等效原理的本質(zhì)思想，那就是：蘋(píng)果的自由下落只不過(guò)是一種在地球存在情況下的慣性運動(dòng)而已。這個(gè)本質(zhì)思想也是廣義相對論的核心結論之一。
科普寫(xiě)作的難度在于如何既要通俗易懂，又要保持知識的準確性。很多情況下不得不在兩者之間做出犧牲。比如，為了提高趣味性，常常引入大量故事和趣聞軼事，但這并不能幫助讀者準確理解所科普的專(zhuān)業(yè)知識；反過(guò)來(lái)，為了追求準確性和專(zhuān)業(yè)性，常常引入太多的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，這又會(huì )讓讀者感覺(jué)晦澀難懂，無(wú)法閱讀。而本書(shū)則是通過(guò)以下兩種方式做到內容的通俗易懂。
第一種方式：將專(zhuān)業(yè)知識拆分成一連串容易理解的小知識點(diǎn)，一直拆分到利用日常生活中熟悉的場(chǎng)景就能展示說(shuō)明的程度。然后通過(guò)簡(jiǎn)化之后的邏輯關(guān)系，把這些小知識點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，再去說(shuō)明專(zhuān)業(yè)知識。此方式可以避免引入太多專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)。所以，本書(shū)不會(huì )出現像參考系、慣性系、伽利略變換、洛倫茲變換、以太、相對性原理等一大堆讓大家頭痛的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，采用的都是日常用語(yǔ)。
第二種方式：采用直觀(guān)的示意圖。圖像是幫助理解的最有效方式。有些相關(guān)文獻中采用的圖片大多只是對引入的故事、趣聞軼事等內容進(jìn)行圖示化，或者說(shuō)與知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)性不大。本書(shū)嘗試將相關(guān)知識點(diǎn)、知識點(diǎn)間的邏輯關(guān)系甚至推理過(guò)程都轉化成直觀(guān)性非常強的示意圖，真正做到圖解相對論。
通過(guò)以上這些嘗試，希望本書(shū)能幫助大家理解廣義相對論所呈現出來(lái)的世界真實(shí)模樣。如果想要系統學(xué)習廣義相對論或了解更多細節，歡迎閱讀筆者已出版的《破解引力：廣義相對論的誕生之路》。
雖然經(jīng)過(guò)多遍仔細修改，書(shū)中不妥和疏漏之處仍在所難免，懇請讀者批評指正。

沈賢勇@川山洞主
2023年4月21日于杭州

沈賢勇，網(wǎng)名@川山洞主，四川樂(lè )山人，2015年畢業(yè)于上海師范大學(xué)天體物理中心，獲博士學(xué)位，研究方向為引力修改與暗能量，現任教于浙江樹(shù)人學(xué)院，已出版《破解引力-廣義相對論的誕生之路》。

運動(dòng)的鐘變慢，運動(dòng)的直尺縮短；靠近地球的鐘變慢，靠近地球的直尺變長(cháng)。這些改變讓地球周?chē)臅r(shí)間和空間變得不均勻。這種不均勻性在幾何上的表現就是時(shí)空彎曲，在物理上的表現就是蘋(píng)果掉下來(lái)。這些結論就是相對論的主要內容，本書(shū)采用直觀(guān)的示意圖對這些內容做了詳細的解釋說(shuō)明。比如采用時(shí)空圖解釋了時(shí)間為什么變慢、空間為什么收縮，采用折疊時(shí)空解釋了地球周?chē)鷷r(shí)間為什么變慢、空間為什么變長(cháng)。利用時(shí)間和空間的不均勻性解釋了時(shí)空是怎樣彎曲的，特別對時(shí)間的彎曲做了詳細說(shuō)明。
本書(shū)圖文并茂，深入淺出，適合對相對論感興趣的廣大讀者閱讀，也可作為學(xué)習相對論的輔助讀本。

上篇	蘋(píng)果為什么會(huì )掉下來(lái)	001
	開(kāi)場(chǎng)—《星際穿越》的電影片段	002
第1章	櫻滿(mǎn)集星——不曾感知到的世界的真實(shí)模樣	007
1.1	櫻滿(mǎn)集星人體驗到的時(shí)間	008
1.2	櫻滿(mǎn)集星人體驗到的空間	015
1.3	地球人與櫻滿(mǎn)集星人之間的協(xié)議	020
1.4	櫻滿(mǎn)集星人體驗到的質(zhì)量	023
1.5	櫻滿(mǎn)集星人測量出的光速值	026

第2章	空間的彎曲——表現為空間長(cháng)度變長(cháng)	028
2.1	地球周?chē)臻g的彎曲—同一段空間的長(cháng)度變長(cháng)所產(chǎn)生的“擠壓”	030
2.2	空間看上去的形狀	032
2.3	空間彎曲的表現方式	034
2.4	地球周?chē)臻g的彎曲程度	037

第3章	我們如何記錄時(shí)間——難以覺(jué)察的時(shí)間性質(zhì)差別	039
3.1	引力場(chǎng)不存在的情況—日常生活習慣的時(shí)間記錄方式	040
3.2	引力場(chǎng)帶來(lái)的本質(zhì)改變	042
3.3	如何沿用日常生活習慣的記錄方式—人為標記時(shí)間	043
3.4	時(shí)間的兩種記錄方式	045
3.5	兩種記錄方式之間的差別	046

第4章	時(shí)間的彎曲——表現為時(shí)間流逝變慢	048
4.1	需要澄清的混亂—同一段時(shí)間的兩種不同含義	049
4.2	同一段時(shí)間的兩種長(cháng)度	053
4.3	時(shí)間的彎曲—同一段時(shí)間間隔的標準長(cháng)度變長(cháng)所產(chǎn)生的“擠壓”	055
4.4	時(shí)間“看上去”的形狀	057
4.5	時(shí)間彎曲的表現方式	059
4.6	二維時(shí)空面的彎曲	060
4.7	地球周?chē)鷷r(shí)間的彎曲程度	061

第5章	黑洞——時(shí)空彎曲的極端案例	062
5.1	中子星附近時(shí)空的彎曲程度	063
5.2	黑洞的邊界	064
5.3	時(shí)間流逝趨于無(wú)窮慢的地方	066
5.4	我們能掉進(jìn)黑洞嗎	067
5.5	黑洞的內部—時(shí)間與空間對換	068
5.6	探索時(shí)空本質(zhì)的信使	069

第6章	蘋(píng)果為什么會(huì )掉下來(lái)——時(shí)間彎曲的表現	071
6.1	不受外部干擾的物體是如何運動(dòng)的	072
6.2	蘋(píng)果下落的真相—居然來(lái)自時(shí)間的本性	073
6.3	放大9億億倍—全部奧秘所在	074

第7章	衛星為什么會(huì )圍繞地球旋轉——時(shí)間彎曲占主導	078
7.1	衛星圍繞地球旋轉的原因也來(lái)自時(shí)間的彎曲	079
7.2	空間彎曲對衛星運動(dòng)的影響	082

第8章	光線(xiàn)為什么會(huì )彎曲——時(shí)間彎曲和空間彎曲各貢獻一半	086
8.1	如何判斷時(shí)空彎曲所產(chǎn)生貢獻的大小	087
8.2	壓倒性勝出—時(shí)間彎曲的貢獻遠大于空間彎曲的貢獻	088
8.3	少有的旗鼓相當—空間彎曲與時(shí)間彎曲產(chǎn)生的貢獻相當	090

第9章	引力波——時(shí)空的另外一種彎曲	093

第10章	正確理解“時(shí)空彎曲告訴物體如何運動(dòng)”	098
10.1	最常見(jiàn)的誤解	100
10.2	誤解的澄清	101
10.3	廣義相對論核心思想的另一種表述	102
10.4	人類(lèi)理性的閃耀	104


下篇	愛(ài)因斯坦如何發(fā)現這一切	105
第11章	肉眼可見(jiàn)的相對論效應——磁力是如何產(chǎn)生的	106
11.1	最熟悉的相對論效應—磁場(chǎng)和電場(chǎng)都是相對的	109
11.2	為什么電磁現象最容易暴露出相對論效應	112
11.3	相對論的世界浮出水面	117

第12章	光速不變——相對論效應最重要的表現	119
12.1	愛(ài)因斯坦當年的追光問(wèn)題	121
12.2	相對論效應產(chǎn)生的必然結果：存在一個(gè)極限速度	122
12.3	相對論效應最重要的表現：光速不變現象	125

第13章	每個(gè)人都有屬于自己的時(shí)間和空間——相對論的意義	128
13.1	光速不變—愛(ài)因斯坦所采用的最關(guān)鍵線(xiàn)索	129
13.2	時(shí)間流逝快慢的相對性	132
13.3	空間長(cháng)度的相對性	134
13.4	同一個(gè)時(shí)刻的相對性	136
13.5	整個(gè)空間都是相對的	139
13.6	細棒變短的原因	141
13.7	時(shí)間流逝變慢的原因	142
13.8	相對論發(fā)現的最重要對象—時(shí)空	144
13.9	時(shí)空的光錐結構	145
13.10	狹義相對性存在的根源—兩個(gè)常見(jiàn)誤解的澄清	148
13.11	一種新時(shí)空觀(guān)的誕生	150

第14章	質(zhì)能方程——日常生活中無(wú)處不在發(fā)揮作用	152
14.1	一般能量的狹義相對性—質(zhì)能方程	154
14.2	質(zhì)量的狹義相對性	155
14.3	發(fā)生在我們身邊的質(zhì)能方程	157
14.4	重新認識時(shí)空與物質(zhì)之間的界限	161

第15章	愛(ài)因斯坦一生中最快樂(lè )的思想——等效原理	164
15.1	狹義相對論到廣義相對論的橋梁	166
15.2	等效原理所蘊含的本質(zhì)思想	168
15.2.1	亞里士多德對運動(dòng)的分類(lèi)	168
15.2.2	笛卡爾對運動(dòng)的分類(lèi)	170
15.2.3	行星運動(dòng)的真相被掩蓋	172
15.2.4	真相被愛(ài)因斯坦揭露	175
15.2.5	愛(ài)因斯坦對運動(dòng)的分類(lèi)	176

第16章	蘋(píng)果為什么會(huì )掉下來(lái)——更直觀(guān)的解釋	178
16.1	時(shí)間流逝變慢的根源	179
16.2	時(shí)空彎曲的途徑—“折疊時(shí)空”	180
16.3	時(shí)間流逝在地球附近變慢的原因	185
16.4	空間真實(shí)長(cháng)度在地球附近變長(cháng)的原因	186
16.5	物體質(zhì)量在地球附近會(huì )增加的原因	187
16.6	重力只是一種表象	188


附錄		192
附錄1	推導同一個(gè)時(shí)刻的相對性	193
附錄2	推導質(zhì)能方程E＝mc2	194

參考文獻		197