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裡連續發表了六篇論文，開啟了現代物理學的新篇章，創造了神乎其神的“奇迹年”。然而這隻是個開頭。

愛因斯坦在1905年發表了一篇探讨光線在狹義相對論中，重力和加速度對其影響的論文，廣義相對論的雛型就此開始形成。1912年，愛因斯坦發表了另外一篇論文，探讨如何将重力場用幾何的語言來描述。至此，廣義相對論的運動學出現了。到了1915年， 愛因斯坦引力場方程發表了出來，整個廣義相對論的動力學才終于完成。

這裡我們主要介紹廣義相對論的七大預言，其中有些是愛因斯坦親口說的，有些是相對論的推論。（如下圖）。

• 一、

  光線偏折

幾乎所有人在中學裡都學過光是直線傳播，但愛因斯坦告訴你這是不對的。光隻不過是沿着時空傳播，然而隻要有質量，就會有時空彎曲，光線就不是直的而是彎的。質量越大，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生偏轉。

其實早在1704年，牛頓就在他的《光學》一書中推測，巨大引力可能扳彎光線。1801年，德國慕尼黑天文台的所納德把光當做有質量的粒子，用牛頓力學計算出：光經過太陽邊緣的偏折角是0.875角秒。

根據廣義相對論，光線與其他物質一樣，必須沿着時空的測地線走。1911年，愛因斯坦根據等效原理預言，光線經過太陽附近時會向内稍微偏折。當時他給出的偏折數是0.87角秒。由此推論，當太陽擋住遙遠的恒星時，經過太陽表面附近的星光由于偏折，會有一部分射向地球，這就是說，我們應該能看到太陽背後的星光。

1911年根據等效原理，隻算了時間彎曲産生的效應，他相似于牛頓引力勢的效應，所以得出的數值與牛頓算出的大緻相當。空間彎曲的效應當時沒有考慮。1915年，綜合時空彎曲效應，計算結果正好是原值0.87角秒的兩倍，即1.74角秒。

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内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别是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。

1976年，科學家們再次測算，得到的結果是1.761″±0.016″的值，以誤差小于1%的精确度證實了廣義想多了的預言。可以說，廣義相對論光線偏折預言經受了嚴苛的檢驗。

• 二、水星近日點進動

廣義相對論以前，水星讓物理學家、天文學家頭痛不已—它不遵守牛頓定律！按照牛頓天體力學，一個孤立行星是在一個固定的橢圓軌道上圍繞太陽運轉（橢圓的長軸不動）。由于其他行星的存在，這個運動受到幹擾，橢圓軌道會慢慢地進動。很多科學家紛紛猜測在水星軌道内側更靠近太陽的地方還存在着一顆行星影響着水星軌道，甚至已經有人把它起名為“火神星”（N年之後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。

水星從一個近日點出發，轉一周後，由于軌道進動，它不能回到原來的那個點上，近日點已經“轉移”了，因此，水星的軌道不是一個封閉的橢圓，而是一個持續轉動的開口橢圓，畫出來的軌迹就像一朵花（見下圖）。

水星進動效應的精确驗證，成了廣義相對論的一根牢固支柱。

• 三、引力紅移

二十世紀六十年代，龐德、雷布卡和斯奈德在哈佛大學的傑弗遜物理實驗室（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。他們将輻射源上下輕輕地晃動，同時記錄探測器測得的信号的強度，通過這種辦法測量由引力勢的微小差别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）和朱棣文通過物質波幹涉實驗，将引力紅移效應的實驗精度提高了一萬倍，從而更準确地驗證了愛因斯坦廣義相對論。

• 四、黑洞

1916年，德國天文學家卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild，1873～1916年）通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解，這個解表明，如果将大量物質集中于空間一點，其周圍會産生奇異的現象，即在質點周圍存在一個界面——“視界”一旦進入這個界面，即使光也無法逃脫。這種“不可思議的天體”被美國物理學家約翰·阿奇巴德·惠勒（John Archibald Wheeler）命名為“黑洞”。

史瓦西的解表明黑洞的質量極其巨大，而體積卻十分微小，密度異乎尋常的大，它所産生的引力場極為強勁，以至于任何物質和輻射在進入到黑洞的一個事件視界（臨界點）内，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量必須彙聚到半徑僅3千米的空間内，而地球質量的黑洞半徑隻有區區0.89厘米。1964年，美籍天文學家裡卡多·吉雅科尼（Riccardo Giacconi）意外地發現了天空中出現神秘的X射線源，方向位于銀河系的中心附近。1971年美國“自由号”人造衛星發現該X射電源的位置是一顆超巨星，本身并不能發射所觀測到的X射線，它事實上被一個看不見的約10倍太陽質量的物體牽引着，這被認為是人類發現的第一個黑洞。雖然黑洞不可見，但是它對周圍天體運動的影響是顯著的。現在，黑洞已經被人們普遍接受了，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。

• 五、雷達回波時間延遲

廣義相對論認為光子靠近引力場時，就會發生時間延遲效應。光線軌迹在引力場中彎曲， 使得其路徑延長。這種的彎曲現象可以等價地看成是一種折射，相當于有效光速減慢，因此從空間某一點發出的信号，如果途經太陽附近，到達地球的時間将有所延遲。這一想法首先由美國物理學家夏比洛(Shapiro)于1964年提出，由此來檢驗廣義相對論是否正确。 從地球向行星發射雷達信号，接收行星反射的信号，測量信号往返的時間。 如果太陽正好處于行星和地球的連線，那麼信号往返時間較沒有太陽的情況變長。如此，可以檢驗空間是否發生了彎曲，是否有時間延遲。 1960年代美國物理學家克服重重困難，完成了有關實驗。 研究小組先後對水星、金星與火星進行了雷達實驗，證明雷達回波确有延遲現象，太陽質量導緻的雷達波往返的時間延遲将達到200毫秒左右， 結果與廣義相對論預言相符。 近年研究人員試驗月球作為反射靶，實驗精度有所改善， 所得結果與廣義相對論理論值一緻。

• 六、引力鐘慢

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，那麼時間進程越慢，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），那麼地面上的人所經曆的時間相比于宇航員走地更慢，長此以往将比他們更年輕！這項驗證實驗很早就做過。1971年做過一次非常精确的測量，哈菲爾（J．C．Ha1ele）和基丁（R．E．Keating）把4台铯原子鐘分别放在民航客機上，在1萬米高空沿赤道環行一周。一架飛機自西向東飛，一架飛機自東向西飛，然後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，導緻狹義相對論效應（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。

• 七、引力波

科學家探測到的是由黑洞合并産生的一個時間極短的引力波信号，持續不到1秒。它經過13億年的漫長旅行，于2015年9月14日抵達地球，被剛改造升級的LIGO的兩個探測器以7毫秒的時間差先後捕捉到。據研究人員估計，兩個黑洞合并前的質量分别相當于36個和29個太陽質量，合并後的總質量是62個太陽質量，3個太陽質量的能量以引力波的形式在不到1秒的時間内釋放，釋放的峰值能量比整個可見宇宙釋放的能量還要高出約50倍。美國科學家于2016年2月11日宣布第一次直接探測到引力波的存在。

LIGO是美國分别在路易斯安那州利文斯頓市與華盛頓州小城漢福德市建造的兩個引力波探測器，改造升級後其探測靈敏度大幅提高。10多個國家超過1000名科學家參與了這個搜尋引力波的項目。

2016年6月16日淩晨，LIGO合作組宣布：2015年12月26日03:38:53 （UTC），位于美國漢福德區和路易斯安那州的利文斯頓的兩台引力波探測器同時探測到了一個引力波信号；這是繼 LIGO 2015年9月14日探測到首個引力波信号之後，人類探測到的第二個引力波信号。

引力波是愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的“拼圖”，它的發現是物理學界裡程碑式的重大成果。發現引力波是一個“重大裡程碑”，它開啟了觀測宇宙的一個新窗口，就像望遠鏡的發明或太空無線電波的發現一樣。引力波天文學将成為21世紀的天文學。

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