一個奇異的宇宙

110年前，愛因斯坦發表了廣義相對論。在他發表這一顛覆性的引力理論之前，人們早已從牛頓的工作中得知，像恒星這樣的大質量天體，會通過引力這種作用力吸引小的天體，比如行星。盡管牛頓的引力理論能夠對行星軌道作出高度精確的預測，但并沒有解釋引力究竟是如何產生的。而愛因斯坦的理論表明，引力是時空曲率的表現。

廣義相對論的核心方程——愛因斯坦場方程。

在廣義相對論中，時空并非“平坦”的，而是會因為大質量物體的存在而彎曲，當這些物體在時空中運動時，它們會不斷地改變時空的曲率。如此一來，引力就描述了物質與時空之間的動態相互作用。

廣義相對論的提出，成功地解釋了當時困擾科學家已久的水星近日點進動問題，但它真正廣為人知是在1919年。

當時，天文學家愛丁頓和他的合作者利用日食測量了遙遠星光在經過太陽附近時發生的偏折效應。愛丁頓測量到的恒星偏移的幅度與廣義相對論所預測的一致，這個轟動性的結果不僅證實了廣義相對論，也使愛因斯坦的名字家喻戶曉。而這僅僅只是開始。

物理學家通過求解愛因斯坦場方程，預言了一個奇異無比的宇宙：我們時常聽到的黑洞、引力波、宇宙膨脹等，實際上都是通過求解方程得出來的。

引力怪獸

1916年1月，在發表廣義相對論的不到兩個月的時間，史瓦西就找到了廣義相對論核心方程的第一個精確解。史瓦西找到的解預示著在宇宙之中，似乎游蕩著這樣一種天體，其引力強大到甚至連光都無法逃脫。這種看不見的天體后來被稱為黑洞。

在很長的一段時間里，黑洞只存在于理論和科幻小說之中。但現在，天文學家不僅能通過黑洞對周圍物質的影響從而推斷出它的必然存在，他們甚至已經看到位于M87星系和銀河系中心的超大質量黑洞的陰影以及周圍明亮的環狀結構：

由于黑洞陰影的形狀是由廣義相對論預測的，因此黑洞的圖像可以被用來檢驗廣義相對論。到目前為止，所有的預測都與廣義相對論相符。而在未來，天文學家還將會給黑洞拍“電影”。

時空漣漪

同樣是在1916年，愛因斯坦詳細計算了方程的真空解（即方程右邊等于零的情況），從而預言了引力波的存在。當大質量物體加速時，會在引力場中產生擾動，這些擾動就被描述為以光速向外傳播的引力波。就如同石頭被扔進水里產生的波紋一樣，人們形象地將引力波稱之為“時空漣漪”。

在宇宙中，最極端的引力波事件來自于致密天體（比如中子星或黑洞）之間的并合。當這些事件產生的引力波經歷漫長的旅途抵達地球時，會對地球造成輕微的擠壓和拉伸。但這種影響幾乎是微乎其微的，以至于連愛因斯坦都曾認為引力波永遠不可能被直接探測到。

這種對時空的影響究竟有多微小？現在，讓我們試想一下，在距離地球13億光年之外，有一對質量分別為29倍和36倍太陽質量的黑洞在相互旋繞慢慢靠近。它們最終會并合成一個62倍太陽質量的黑洞，并在不到一秒的時間內，有相當于3個太陽質量的能量以引力波的形式輻射出去。

這使得在那短暫的瞬間，黑洞并合產生的引力輻射要比可見宇宙中所有恒星發出的光都要強很多倍。盡管如此，當如此強大的的引力波在經歷十幾億年的傳播抵達地球時，它所造成的時空結構的拉伸實際上非常小。多小？比原子核還要小數千倍！想要探測如此微小的變化，聽起來就像是天方夜譚。

然而，愛因斯坦絕對想不到的是，2015年9月14日，也就是在他發表廣義相對論的100年后，一臺臂長4千米的L型探測器竟真的直接探測到了引力波。這次的探測不僅再次驗證了廣義相對論，也為我們觀測宇宙打開了一扇新的窗口，從而開啟了全新的天文學時代——引力波天文學。

如今，引力波探測器已經記錄了近300起引力波事件。科學家希望能夠通過引力波來檢驗廣義相對論、測量哈勃常數（描述了宇宙的膨脹速率）、探索中子星的內部結構等等。

宇宙放大鏡

凝視夜空，你所看到的所有恒星都位于銀河系內。通常情況下，即使是使用最強大的望遠鏡，也只能分辨出鄰近星系中的單個恒星。然而，一種被稱為“引力透鏡”的奇妙自然現象，可以幫助天文學家尋找那些非常遙遠的恒星。

根據廣義相對論的預言，當遙遠天體發出的光在宇宙中傳播時，如果光經過了一個大質量天體（比如星系團），光的路徑就會發生彎曲。如果一個大質量天體恰好位于我們和一個遙遠的背景光源之間，那么這個天體可能會像透鏡一樣，將光線偏轉并聚焦，從而放大這個光源。例如，利用引力透鏡效應，哈勃空間望遠鏡和韋布空間望遠鏡探測到了迄今為止最遙遠的恒星——埃蘭迪爾（Earendel）。這顆恒星被放大了至少4000倍，距離地球280億光年！

除了發現那些最遙遠和古老的恒星和星系，引力透鏡效應也可以被用來尋找系外行星。當前景恒星放大背景恒星的光時，若有行星繞前景恒星運行，行星就會在亮度曲線上留下額外的擾動。

但更令人興奮的是，天文學家還可以通過引力透鏡繪制神秘的暗物質的分布。例如，歐幾里得空間望遠鏡將觀測數十億個星系，從而繪制橫跨百億年宇宙歷史的三維暗物質分布圖。

引力透鏡效應。

膨脹的宇宙

1922年，弗里德曼在研究了廣義相對論，并假設宇宙是各向同性（所有方向都一樣）和均勻（所有地方都一樣）的之后，推導出了在宇宙學領域無人不知的弗里德曼方程。最令人驚奇的是，弗里德曼得到的解意味著宇宙可以膨脹、收縮、坍縮，甚至有一個開端，而非像當時愛因斯坦和其他大多數科學家所認為的那樣是靜態的。

第一個弗里德曼方程。

在弗里德曼推導出的兩個方程中，第一個更為重要。方程的一邊告訴我們宇宙的構造會如何隨時間膨脹或收縮。方程的另一邊包含了所有的物質、輻射和其他任何組成宇宙的能量形式，也包含了空間的固有曲率（不同的曲率對應宇宙不同的形狀），甚至包含了愛因斯坦曾為了保持靜態宇宙在方程中引入的宇宙學常數（用“Λ”表示）。

到了1920年代末，勒梅特和哈勃都獨立找到了紅移和距離的關系，從而發現宇宙確實正在膨脹（詳見）。

到了20世紀末，天文學家基于對Ia型超新星的觀測發現，宇宙膨脹的速度并沒有像預期那樣在引力的作用下逐漸放緩。相反，它進一步加速了，一切都在以越來越快的速度遠離彼此。為了解釋這一現象，科學家引入了“暗能量”這個概念。

一個膨脹的宇宙意味著它有著更熾熱、致密的過去——一個開端。最終，在勒梅特、伽莫夫等人的探索下，逐漸發展出了我們今天所熟知的大爆炸理論。

今天我們知道宇宙已經有138億年歷史了，而廣義相對論為描述宇宙自誕生以來的整體結構與演化過程，以及未來的演變，提供了完整的數學框架。

奇異的宇宙

110年過去了，廣義相對論那些曾被視為離奇甚至不可思議的預言，已一次次得到驗證，并不斷刷新我們對宇宙的理解。

然而，在震撼與贊嘆之外，宇宙仍然向我們保留著大量未解之謎：暗物質與暗能量的本質依然成謎；理論所允許的蟲洞、白洞等極端時空結構尚未被觀測證實；而如何將廣義相對論與量子力學統一起來，構建一套描述自然界最基本規律的理論框架，仍是當代物理學面臨的核心挑戰之一。

廣義相對論向我們揭示的，不只是一個可以被計算的宇宙，更是一個遠超直覺的宇宙。

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#創作團隊：

撰文：不二北斗

設計：雯雯

#參考來源：

https://www.cfa.harvard.edu/research/science-field/einsteins-theory-gravitation

#圖片來源：

封面圖&首圖：T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab