都說引力波是相對論預言中的最后一塊拼圖。那么愛因斯坦還有哪些預言呢？本期我們就來梳理一下這方面的內(nèi)容。需要說明的是，廣義相對論的核心是解釋了時空彎曲，因此所有的預言都與此有關，但為了更說明問題，我們把有些類似的現(xiàn)象拆分成幾個。其中有些是愛因斯坦親口說的，有些是相對論的推論。
1905年，愛因斯坦橫空出世！還是瑞士伯爾尼專利局小職員的他在這一年里連續(xù)發(fā)表了六篇論文，開啟了現(xiàn)代物理學的新篇章，創(chuàng)造了神乎其神的“奇跡年”。然而這只是個開頭。
愛因斯坦并不滿足于解決了慣性系的問題，他志存高遠，要把相對性原理拓展到更普適的非慣性系中，徹底顛覆人們的“宇宙觀”。1907年，愛因斯坦的長篇文章《關于相對性原理和由此得出的結論》，第一次拋出了“等效原理”，廣義相對論的畫卷徐徐展開。然而，這項工作十分艱巨，直到1915年11月。愛因斯坦先后向普魯士科學院提交了四篇論文，提出了天書一般的引力場方程，至此，困擾多年的問題基本都解決了，廣義相對論誕生了。1916年，愛因斯坦完成了長篇論文《廣義相對論的基礎》，文中，愛因斯坦正式將此前適用于慣性系的相對論稱為狹義相對論，將“在一切慣性系中（靜止狀態(tài)和勻速直線運動狀態(tài)）物理規(guī)律同樣成立”的原理稱為狹義相對性原理，繼而闡述了“通吃”的廣義相對性原理：物理規(guī)律在無論哪種運動方式的參照系都成立（包括靜止、勻速直線運動、加速運動、圓周運動等慣性系和非慣性系）。
愛因斯坦的廣義相對論認為，只要有非零質(zhì)量的物質(zhì)存在，空間和時間就會發(fā)生彎曲，形成一個向外無限延伸的“場”，物體包括光就在這彎曲的時空中沿短程線運動，其效果表現(xiàn)為引力。所以人們把相對論描述的彎曲的時空稱為引力場，其實在廣義相對論看來，“引力”這個東西是不存在的，它只是一種效果力，與所謂離心力類似。如果說狹義相對論顛覆了牛頓的絕對時空觀，那么廣義相對論幾乎把萬有引力給一腳踹下去了。倒不是說愛因斯坦否定了牛頓，而是完成了經(jīng)典物理的一次華麗麗的升級，只是如此徹底以至于經(jīng)典物理變得面目全非了。
廣義相對論提出后毫無懸念地遇到了推廣的困難，因為對于我們這種生活在低速運動和弱引力場的地球人來說，它太難懂了，太離奇了。但是逐漸地，人們在宇宙這個廣袤的實驗室中尋找到了答案，發(fā)現(xiàn)了相對論實在是太神奇、太精彩、太偉大了。
幾乎所有人在中學里都學過光是直線傳播，但愛因斯坦告訴你這是不對的。光只不過是沿著時空傳播，然而只要有質(zhì)量，就會有時空彎曲，光線就不是直的而是彎的。質(zhì)量越大，彎曲越大，光線的偏轉角度越大。太陽附近存在時空彎曲，背景恒星的光傳遞到地球的途中如果途徑太陽附近就會發(fā)生偏轉。愛因斯坦預測光線偏轉角度是1.75″，而牛頓萬有引力計算的偏轉角度為0.87″。要拍攝到太陽附近的恒星，必須等待日全食的時候才可以。機會終于來了，1919年5月29日有一次條件極好的日全食，英國愛丁頓領導的考察隊分赴非洲幾內(nèi)亞灣的普林西比和南美洲巴西的索布拉進行觀測，結果兩個地方三套設備觀測到的結果分別是1.61″±0.30″、1.98″±0.12″和1.55″±0.34″，與廣義相對論的預測完全吻合，愛因斯坦因此名聲大噪。這是對廣義相對論的最早證實。70多年以后“哈勃”望遠鏡升空，拍攝到許多被稱為“引力透鏡”的現(xiàn)象，現(xiàn)如今也幾乎是路人皆知了。
一直以來，人們觀察到水星的軌道總是在發(fā)生漂移，其近日點在沿著軌道發(fā)生5600.73″/百年是“進動”現(xiàn)象。而根據(jù)牛頓萬有引力計算，這個值為5557.62 ″/百年，相差43.11″/百年。雖然這是一個極小的誤差，但是天文是嚴謹?shù)?，明明確實存在的誤差不能視而不見。很多科學家紛紛猜測在水星軌道內(nèi)側更靠近太陽的地方還存在著一顆行星影響著水星軌道，甚至已經(jīng)有人把它起名為“火神星”（N年之后居然還有中國學者管這個不存在的行星叫“祝融星”）。不過始終未能找到這顆行星。1916年，愛因斯坦在論文中宣稱用廣義相對論計算得到這個偏差為42.98″/百年，幾乎完美地解釋了水星近日點進動現(xiàn)象。愛因斯坦本人說，當他計算出這個結果時，簡直興奮地睡不著覺，這是他本人最為得意的成果。
同樣還是時空彎曲的結果。前文講到的都是空間上的影響，不論光還是水星都是在太陽附近彎曲的時空中運動。既然被彎曲的是時空，自然要講時間的變化。廣義相對論中具有基石意義的等效原理認為：無限小的體積中均勻的引力場等同于加速運動的參照系。而在引力場中引力勢較低的位置，也就是過去我們所學的離天體中心越近，引力越大，那么時間進程越慢，物體的尺度也越小。講通俗一點，拿地球舉例，站在地面上的人相比于國際空間站的宇航員感受到的引力更大，引力勢更低（這是比較容易理解的），那么地面上的人所經(jīng)歷的時間相比于宇航員走地更慢，長此以往將比他們更年輕！這項驗證實驗很早就做過。1971年做過一次非常精確的測量，哈菲爾（J．C．Ha1ele）和基?。≧．E．Keating）把4臺銫原子鐘分別放在民航客機上，在1萬米高空沿赤道環(huán)行一周。一架飛機自西向東飛，一架飛機自東向西飛，然后與地面事先校準過的原子鐘做比較。同時考慮狹義相對論效應和廣義相對論效應，東向西的理論值是飛機上的鐘比地面快275±21納秒（10-9s），實驗測量結果為快273±7納秒，西向東的理論值是飛機上的鐘比地面慢40±23納秒，實驗測量結果為慢59±10納秒。其中廣義相對論效應（即引力效應）理論為東向西快179±18納秒，西向東快144±14納秒，都是飛行時鐘快于地面時鐘；但需要注意的是，由于飛機向東航行是與地球自轉方向相同，所以相對地面靜止的鐘速度更快，導致狹義相對論效應（即運動學效應）更為顯著，才使得總效應為飛行時鐘慢于地面時鐘。
此外，1964年夏皮羅提出一項驗證實驗，利用雷達發(fā)射一束電磁波脈沖，經(jīng)其他行星反射回地球再被接收。當來回的路徑遠離太陽，太陽的影響可忽略不計；當來回路徑經(jīng)過太陽近旁，太陽引力場造成傳播時間加長，此稱為雷達回波延遲或叫“夏皮羅時延效應”。天文學家后來通過金星做了雷達反射完全符合相對論的描述。2003年天文學家利用卡西尼號土星探測器，重復了這項實驗，測量精度在0.002%范圍內(nèi)觀測與理論一致，這是迄今為止精度最高的廣義相對論實驗驗證。
| Δτ（飛行原子鐘度數(shù)-地面原子鐘度數(shù)） | |||
| 向東飛行 | 向西飛行 | ||
| 預測值 | 引力效應 | 144±14 | 179±18 |
| 運動學效應 | -184±18 | 96±10 | |
| 總效應凈值 | -40±23 | 275±21 | |
| 實驗結果 | 原子鐘1（編號120） | -57 | +277 |
| 原子鐘2（編號361） | -74 | +284 | |
| 原子鐘3（編號408） | -55 | +266 | |
| 原子鐘4（編號447） | -51 | +266 | |
| 平均值 | -59±10 | +273±7 | |
從大質(zhì)量天體發(fā)出的光（電磁輻射），由于處于強引力場中，其光振動周期要比同一種元素在地球上發(fā)出光的振動周期長，由此引起光譜線向紅光波段偏移的現(xiàn)象。只有在引力場特別強的情況下，引力造成的紅移量才能被檢測出來。二十世紀六十年代，龐德、雷布卡和斯奈德在哈佛大學的杰弗遜物理實驗室（Jefferson Physical Laboratory）采用穆斯堡爾效應的實驗方法，定量地驗證了引力紅移。他們在距離地面22.6米的高度，放置了一個伽馬射線輻射源，并在地面設置了探測器。他們將輻射源上下輕輕地晃動，同時記錄探測器測得的信號的強度，通過這種辦法測量由引力勢的微小差別所造成的譜線頻率的移動。他們的實驗方法十分巧妙，用狹義相對論和等效原理就能解釋。結果表明實驗值與理論值完全符合。2010年來自美國和德國的三位物理學家馬勒（H．Muller）、彼得斯（A．Peters）和朱棣文通過物質(zhì)波干涉實驗，將引力紅移效應的實驗精度提高了一萬倍，從而更準確地驗證了愛因斯坦廣義相對論。
1916年，德國天文學家卡爾·史瓦西計算得到愛因斯坦引力場方程的一個真空解，這個解表明，質(zhì)量大到一定程度，引力將把大量物質(zhì)集中于空間一點，并產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象。這種天體被美國物理學家約翰·阿奇巴德·惠勒命名為“黑洞”。史瓦西的解表明黑洞的質(zhì)量極其巨大，而體積卻十分微小，密度異乎尋常的大，它所產(chǎn)生的引力場極為強勁，以至于任何物質(zhì)和輻射在進入到黑洞的一個事件視界（臨界點）內(nèi)，便再無法逃脫，甚至傳播速度最快的光（電磁波）也無法逃逸。如果太陽要變成黑洞就要求其所有質(zhì)量必須匯聚到半徑僅3千米的空間內(nèi)，而地球質(zhì)量的黑洞半徑只有區(qū)區(qū)0.89厘米。1964年，美籍天文學家里卡多·吉雅科尼（Riccardo Giacconi）意外地發(fā)現(xiàn)了天空中出現(xiàn)神秘的X射線源，方向位于銀河系的中心附近。1971年美國“自由號”人造衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)該X射電源的位置是一顆超巨星，本身并不能發(fā)射所觀測到的X射線，它事實上被一個看不見的約10倍太陽質(zhì)量的物體牽引著，這被認為是人類發(fā)現(xiàn)的第一個黑洞。雖然黑洞不可見，但是它對周圍天體運動的影響是顯著的?，F(xiàn)在，黑洞已經(jīng)被人們普遍接受了，天文學家甚至可以用光學望遠鏡直接看到一些黑洞吸積盤的光。
一個旋轉的物體特別是大質(zhì)量物體還會使空間產(chǎn)生另外的拖曳扭曲，就好像在水里轉動一個球，順著球旋轉的方向會形成小小的波紋和漩渦。地球的這一效應，將使在空間運行的陀螺儀的自轉軸發(fā)生41/1000弧秒的偏轉，這個角度大概相當于從華盛頓觀看一個放在洛杉磯的硬幣產(chǎn)生的張角。2004年4月20日，美國航天局“引力探測-B”（GP-B）衛(wèi)星從范登堡空軍基地升空，以前所未有的精度觀測“測地線效應”，從而尋找“慣性系拖曳”效應的跡象。衛(wèi)星在軌飛行了17個月，隨后研究人員對測量數(shù)據(jù)進行了5年的分析。2011年5月4日美國航天局發(fā)布消息稱，GP-B衛(wèi)星已經(jīng)證實了廣義相對論的這項預測。但是該項目的經(jīng)濟性和必要性受到很多批評的聲音。
愛因斯坦在發(fā)表了廣義相對論后，又進一步闡述引力場的概念。牛頓的萬有引力定律顯示出引力是“超距”的，比如太陽如果突然消失，那么地球就會瞬間脫離自己的軌道，這似乎是正確的。但愛因斯坦提出“引力”需要在時空中傳遞，需要時間，質(zhì)量的變化引起引力場變化，引力會以光速向外傳遞，就像水波一樣，這就是“引力波”的由來。不過愛因斯坦知道引力波很微弱，像太陽這樣的恒星是不能引起劇烈擾動的，連自己都認為可能永遠都探測不到。1974年，美國物理學家泰勒（Joseph Taylor）和赫爾斯（Russell Hulse）利用射電望遠鏡，發(fā)現(xiàn)了由兩顆中子星組成的雙星系統(tǒng)PSR1913+16，并利用其中一顆脈沖星，精準地測出兩個致密星體繞質(zhì)心公轉的半長徑以每年3.5米的速率減小，3億年后將合并，系統(tǒng)總能量周期每年減少76.5微秒，減少的部分應當就是釋放出的引力波。泰勒和赫爾斯因為首次間接探測引力波而榮獲1993年諾貝爾物理學獎。如今我們已經(jīng)直接“聽”到了引力波悅耳動聽的聲音，這預示著現(xiàn)代物理學嶄新的篇章就此開啟！
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