• 一種點(diǎn)質(zhì)量的重彎曲時(shí)空?qǐng)D，它對(duì)應(yīng)于位于黑洞視界外的物理場(chǎng)景。當(dāng)你越來越接近時(shí)空中的物質(zhì)位置時(shí)，空間變得更加彎曲，最終導(dǎo)致一個(gè)甚至光不能逃脫的位置：事件視界。這個(gè)位置的半徑是由黑洞的質(zhì)量、電荷和角動(dòng)量、光的速度和廣義相對(duì)論定律所決定的。

如果你在二十世紀(jì)初是一個(gè)物理學(xué)家，你就不會(huì)有什么神秘的事情需要你去思考。牛頓關(guān)于宇宙的觀點(diǎn)——關(guān)于光學(xué)和光，關(guān)于運(yùn)動(dòng)和力學(xué)，以及關(guān)于引力——在大多數(shù)情況下都是難以置信的成功，但卻面臨著前所未有的疑慮和挑戰(zhàn)。

早在19世紀(jì)，光就被證明具有類似波的性質(zhì)：干涉和衍射。但它也有類似粒子的特性，因?yàn)樗梢陨⑸潆娮?，甚至將能量傳遞給電子；光不可能是牛頓想象中的“微?！?。牛頓力學(xué)在高速下失效，因?yàn)楠M義相對(duì)論造成了時(shí)長收縮和時(shí)間在光速附近延長。萬有引力成了牛頓力學(xué)最后一根稻草，愛因斯坦在1915年提出了廣義相對(duì)論，粉碎了它。只有一個(gè)關(guān)鍵的難題，把我們帶到那里。

• 在一個(gè)空的、空白的、三維的網(wǎng)格上，放放置一個(gè)質(zhì)量物體會(huì)導(dǎo)致原本是“直線”的東西變成一定數(shù)量的曲線。在廣義相對(duì)論中，我們把空間和時(shí)間視為連續(xù)的，但所有形式的能量，包括但不限于質(zhì)量，都有助于時(shí)空曲率。如果我們用更密集的版本取代地球，包括奇點(diǎn)，這里顯示的時(shí)空變形將是相同的;只有地球內(nèi)部才會(huì)有顯著的差異。

今天，由于愛因斯坦的理論，我們把時(shí)空視為一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)體：一個(gè)四維結(jié)構(gòu)，由于物質(zhì)和能量的存在而變得彎曲。彎曲的背景是宇宙中所有粒子、反粒子和輻射都必須必須經(jīng)過的階段，而時(shí)空的曲率告訴我們物質(zhì)是如何移動(dòng)。

這是廣義相對(duì)論的大概念，也是為什么它是從狹義相對(duì)論升級(jí)的概念。是的，空間和時(shí)間仍然被拼接成一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)體：時(shí)空。是的，所有無質(zhì)量粒子相對(duì)于所有觀察者以光速傳播，所有大顆粒都不可能達(dá)到這樣的速度。相反，它們?cè)谟钪嬷幸苿?dòng)，看到空間收縮，時(shí)間擴(kuò)張，并在從俠義相對(duì)論到廣義相對(duì)論的升級(jí)中，看到新的引力現(xiàn)象，否則不會(huì)出現(xiàn)。

• 引力波在一個(gè)方向上傳播，在引力波的極化定義的相互垂直的方向上交替地?cái)U(kuò)展和壓縮空間。引力波本身，在引力量子理論中，應(yīng)該由引力場(chǎng)的單個(gè)量子構(gòu)成：gravitons。當(dāng)引力波在空間上均勻分布時(shí)，振幅（即為1／r）是探測(cè)器的關(guān)鍵量，而不是能量（它是1／r2）。

這些相對(duì)論效應(yīng)，大約在過去的一個(gè)世紀(jì)里，已經(jīng)出現(xiàn)在一些壯觀的地方。光紅移或藍(lán)移，因?yàn)樗M(jìn)入或離開重力場(chǎng)，這是龐德-雷布卡實(shí)驗(yàn)首次檢測(cè)到的。每當(dāng)兩個(gè)質(zhì)量相對(duì)移動(dòng)時(shí)，都會(huì)發(fā)出引力波，這種效應(yīng)在100年前預(yù)測(cè)過，但在過去4年中，LIGO/Virgo才探測(cè)到。

當(dāng)星光經(jīng)過一個(gè)巨大的引力源時(shí)，它會(huì)彎曲：這一效應(yīng)在我們的太陽系中出現(xiàn)，就像遙遠(yuǎn)的星系和星系團(tuán)一樣強(qiáng)勁。而且，也許最引人注目的是，廣義相對(duì)論的框架預(yù)測(cè)空間將以這樣的方式彎曲，即在多個(gè)不同的時(shí)間，可以在多個(gè)位置看到遠(yuǎn)距離事件。我們用這個(gè)預(yù)測(cè)來觀察超新星在同一星系中多次爆炸，這是廣義相對(duì)論非直覺力量的壯觀表現(xiàn)。

• 左邊的圖像顯示了哈勃前沿場(chǎng)計(jì)劃中對(duì)MACSJ1149.5 2223星系團(tuán)的部分深場(chǎng)觀測(cè)。圓表示超新星最新出現(xiàn)的預(yù)測(cè)位置。到右下角的愛因斯坦十字架事件從2014年底是可見的。右上角的圖像顯示了2015年10月哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的超新星的最新外觀。右下角的圖像顯示了2015年12月11日的RefSDa超新星的發(fā)現(xiàn)，正如幾個(gè)不同模型所預(yù)測(cè)的那樣。當(dāng)哈勃首次提出時(shí)，沒有人想到它能拍攝到這樣的事情；這展示了旗艦級(jí)天文臺(tái)的持續(xù)能量。

上面提到的測(cè)試只是廣義相對(duì)論所探討的一些非常徹底的方法，遠(yuǎn)非詳盡無遺。但是在廣義相對(duì)論中出現(xiàn)的大部分可觀察到的結(jié)果，只有在理論本身形成之后才能得到很好的解決。它們不能用來推動(dòng)廣義相對(duì)論本身的形成，但有些事情顯然是這樣做的。

如果你是20世紀(jì)初的物理學(xué)家，你會(huì)有機(jī)會(huì)打敗愛因斯坦。在19世紀(jì)中葉，很明顯水星的軌道出了問題：它沒有遵循牛頓萬有引力預(yù)測(cè)的路徑。天王星的一個(gè)類似問題導(dǎo)致了海王星的發(fā)現(xiàn)，因此許多人希望水星的軌道與牛頓的預(yù)測(cè)不匹配，這意味著必須有一顆新行星存在于水星軌道的內(nèi)側(cè)。這個(gè)想法如此引人注目，以至于這顆行星已經(jīng)被預(yù)先命名為：vulcan。

• 通過檢查天王星軌道異常發(fā)現(xiàn)海王星后，科學(xué)家勒維耶將注意力轉(zhuǎn)向水星軌道異常。他提出了一個(gè)內(nèi)部行星，vulcan作為解釋。雖然vulcan肯并不存在，但勒維耶的計(jì)算幫助愛因斯坦最終解決了廣義相對(duì)論。

但是VulCAN并不存在，因?yàn)樵敱M的搜索很快就被確定了。如果牛頓引力是完美的，也就是說，如果我們把宇宙理想化，在太陽系中僅有太陽和水星，那么水星將在圍繞太陽的軌道上形成一個(gè)完美的封閉橢圓。

當(dāng)然，宇宙并不理想。我們從地球上看到太陽-水星系統(tǒng)，它本身在橢圓中移動(dòng)，在其軸上旋轉(zhuǎn)，并看到自旋軸隨時(shí)間而偏離。計(jì)算這個(gè)效果，你會(huì)發(fā)現(xiàn)水星的軌道路徑的形狀不再是一個(gè)封閉的橢圓，而是每世紀(jì)5025弧秒（其中3600弧秒為1度）的橢圓形和近地點(diǎn)。太陽系中還有許多其他行星在太陽-水星系統(tǒng)上拖曳。如果計(jì)算它們的所有貢獻(xiàn)，它們每世紀(jì)增加 532 弧秒。

• 根據(jù)兩個(gè)不同的引力理論，當(dāng)其他行星和地球運(yùn)動(dòng)的影響被減去時(shí)，牛頓的預(yù)測(cè)是一個(gè)紅色的（封閉的）橢圓，與愛因斯坦預(yù)言的水星軌道的藍(lán)色（進(jìn)動(dòng)）橢圓背道而馳。

總而言之，這導(dǎo)致在牛頓引力下，對(duì)水星近地點(diǎn)每世紀(jì)5557弧秒的理論預(yù)測(cè)。但是，我們非常好的觀察結(jié)果顯示，這個(gè)數(shù)字略有下降，因?yàn)槲覀兛吹矫渴兰o(jì)有5600弧秒的衰退。每世紀(jì)額外增加43弧秒是一個(gè)令人煩惱的謎團(tuán)，而尋找水星內(nèi)部行星的失敗，進(jìn)一步加深了這個(gè)謎團(tuán)。

事后看來，我們很容易就揮揮手，聲稱廣義相對(duì)論提供了答案。但這并不是唯一可能的答案。我們可以稍微修改牛頓的引力定律，稍微不同于平方反比定律，這可能是額外進(jìn)動(dòng)的原因。我們可以要求太陽是一個(gè)扁圓球體，而不是一個(gè)球體，這可能導(dǎo)致額外的歲差。然而，其他的觀測(cè)限制排除了這些情況，就像排除了VulCAN的情況一樣。

• 愛因斯坦提出的相對(duì)論運(yùn)動(dòng)的一個(gè)革命性的方面，但之前由勞倫茨、菲茨杰拉德和其他人建立的，即快速移動(dòng)的物體似乎在空間收縮并在時(shí)間上膨脹。你相對(duì)于靜止的人，移動(dòng)的速度越快，你的空間距離越長，收縮的時(shí)間越長，而外面的時(shí)間似乎越長。這幅相對(duì)論力學(xué)的圖畫取代了經(jīng)典力學(xué)的舊牛頓觀，可以解釋宇宙射線μ子的壽命等現(xiàn)象。

但有時(shí)，理論的進(jìn)步會(huì)帶來更深層次的理論進(jìn)步。1905年，《狹義相對(duì)論》出版，使人們認(rèn)識(shí)到，在接近光速的速度下，距離似乎沿著運(yùn)動(dòng)方向收縮，而時(shí)間似乎會(huì)拉長一個(gè)觀察者相對(duì)于另一個(gè)觀察者移動(dòng)的距離。1907/8年，愛因斯坦的前教授赫爾曼·明科夫斯基（Hermann Minkowski）寫下了第一個(gè)將空間（3D）和時(shí)間（1D）統(tǒng)一為四維時(shí)空結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)框架。

如果這只是你知道的，但你在思考水星問題，你可能會(huì)有一個(gè)驚人的認(rèn)識(shí)：水星不僅是最接近太陽的行星，而且也是太陽系中移動(dòng)速度最快的行星。

• 圖：行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的速度取決于它們與太陽的距離。海王星是太陽系中最慢的行星，以5千米/秒的速度繞太陽運(yùn)行。相比之下，水星以太陽速度大約9倍的速度圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。

水星的平均速度為47.36公里/秒，與光速相比，它的移動(dòng)速度非常慢：僅是真空光速的0.0158%。然而，每一個(gè)世紀(jì)的每一天的每一刻，它以這種速度永不停歇地移動(dòng)著。雖然狹義相對(duì)論的影響可能在典型的實(shí)驗(yàn)時(shí)間尺度上很小，但我們已經(jīng)觀察到行星移動(dòng)了幾個(gè)世紀(jì)。

愛因斯坦從來沒有想過這一點(diǎn)，他從未想過要計(jì)算水星在太陽周圍的快速運(yùn)動(dòng)的特殊相對(duì)論效應(yīng)，以及它如何影響它的近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)。但是另一位當(dāng)代科學(xué)家，亨利·龐加萊，決定自己做這個(gè)計(jì)算。當(dāng)他在空間收縮和時(shí)間膨脹兩個(gè)因素，他發(fā)現(xiàn)，它導(dǎo)致大約每一個(gè)7到10弧秒的軌道歲差每百年。

• 最好的方法是從一個(gè)大望遠(yuǎn)鏡看到水星，幾十個(gè)堆疊圖像（左，1998年，和中心，2007年）在紅外線可以重建，或直接去水星，直接拍攝圖像（右），如2009年信使號(hào)直接探索水星。太陽系中最小的行星，它靠近地球意味著它總是比海王星和天王星都大。

這很吸引人，原因有二：

• 對(duì)歲差的貢獻(xiàn)實(shí)際上是朝正確方向邁出的一步，大約占20%的差異，如果宇宙服從狹義相對(duì)論，則必須存在這種效應(yīng)。

• 但這一貢獻(xiàn)本身不足以解釋全部差異。

換言之，做狹義相對(duì)論計(jì)算是一條線索，表明我們走在正確的軌道上，越來越接近答案。但同樣的，這不是完全的答案，那就需要?jiǎng)e的東西。正如愛因斯坦正確推測(cè)的那樣，“另一個(gè)”是編纂一個(gè)也包含了狹義相對(duì)論的萬有引力理論。正是沿著這些思路，并跟隨閔可夫斯基和的貢獻(xiàn)，愛因斯坦終于能夠提出他的等效原理，這導(dǎo)致了廣義相對(duì)論的成熟。

• 在加速火箭（左）和地球上（右）中，球落到地板上的相同行為是愛因斯坦等價(jià)原理的證明。雖然在單個(gè)點(diǎn)測(cè)量加速度表明引力加速度與其他形式的加速度之間沒有區(qū)別，但沿該路徑測(cè)量多個(gè)點(diǎn)將顯示差異。注意到引力與任何其他加速度無異，是導(dǎo)致愛因斯坦將引力與狹義相對(duì)論統(tǒng)一的頓悟。

如果我們從來沒有注意到水星的預(yù)期行為與它觀察到的行為的微小偏差，就不會(huì)有令人信服的觀測(cè)要求來取代牛頓的引力。如果亨利·龐加萊從未做過計(jì)算，論證了狹義相對(duì)論如何應(yīng)用于這個(gè)軌道問題，我們可能永遠(yuǎn)不會(huì)得到解決這個(gè)悖論的關(guān)鍵暗示，這個(gè)悖論的解決，在于運(yùn)動(dòng)物體物理學(xué)（相對(duì)論）與我們的引力理論的統(tǒng)一。

意識(shí)到引力只是另一種形式的加速對(duì)物理學(xué)來說是一個(gè)巨大的福音，但是如果沒有導(dǎo)致愛因斯坦偉大覺悟的暗示，這是不可能的。這對(duì)我們所有人來說都是一個(gè)偉大的教訓(xùn)，即使在今天：當(dāng)你看到數(shù)據(jù)與預(yù)期不符時(shí)，它可能是科學(xué)革命的預(yù)兆。我們必須保持開放的態(tài)度，但只有通過理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)結(jié)果的相互作用，我們才能希望對(duì)宇宙的理解實(shí)現(xiàn)下一個(gè)飛躍。