都說(shuō)引力波是相對(duì)論預(yù)言中的最后一塊拼圖,。那么愛因斯坦還有哪些預(yù)言呢,？本期我們就來(lái)梳理一下這方面的內(nèi)容。需要說(shuō)明的是,，廣義相對(duì)論的核心是解釋了時(shí)空彎曲,，因此所有的預(yù)言都與此有關(guān)，但為了更說(shuō)明問(wèn)題,，我們把有些類似的現(xiàn)象拆分成幾個(gè),。其中有些是愛因斯坦親口說(shuō)的，有些是相對(duì)論的推論,。

幾乎所有人在中學(xué)里都學(xué)過(guò)光是直線傳播，但愛因斯坦告訴你這是不對(duì)的,。光只不過(guò)是沿著時(shí)空傳播,，然而只要有質(zhì)量，就會(huì)有時(shí)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(zhuǎn)角度越大,。太陽(yáng)附近存在時(shí)空彎曲，背景恒星的光傳遞到地球的途中如果途徑太陽(yáng)附近就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn),。愛因斯坦預(yù)測(cè)光線偏轉(zhuǎn)角度是1.75″,，而牛頓萬(wàn)有引力計(jì)算的偏轉(zhuǎn)角度為0.87″。要拍攝到太陽(yáng)附近的恒星,，必須等待日全食的時(shí)候才可以,。機(jī)會(huì)終于來(lái)了，1919年5月29日有一次條件極好的日全食,，英國(guó)愛丁頓領(lǐng)導(dǎo)的考察隊(duì)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(jìn)行觀測(cè),，結(jié)果兩個(gè)地方三套設(shè)備觀測(cè)到的結(jié)果分別是1.61″±0.30″、1.98″±0.12″和1.55″±0.34″,，與廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)完全吻合,，愛因斯坦因此名聲大噪。這是對(duì)廣義相對(duì)論的最早證實(shí),。70多年以后“哈勃”望遠(yuǎn)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(lái),，人們觀察到水星的軌道總是在發(fā)生漂移,，其近日點(diǎn)在沿著軌道發(fā)生5600.73″/百年是“進(jìn)動(dòng)”現(xiàn)象。而根據(jù)牛頓萬(wàn)有引力計(jì)算,，這個(gè)值為5557.62 ″/百年,，相差43.11″/百年。雖然這是一個(gè)極小的誤差,，但是天文是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，明明確實(shí)存在的誤差不能視而不見。很多科學(xué)家紛紛猜測(cè)在水星軌道內(nèi)側(cè)更靠近太陽(yáng)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(guó)學(xué)者管這個(gè)不存在的行星叫“祝融星”）,。不過(guò)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(duì)論計(jì)算得到這個(gè)偏差為42.98″/百年,，幾乎完美地解釋了水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。愛因斯坦本人說(shuō),，當(dāng)他計(jì)算出這個(gè)結(jié)果時(shí),，簡(jiǎn)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(shí)空彎曲的結(jié)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(yáng)附近彎曲的時(shí)空中運(yùn)動(dòng),。既然被彎曲的是時(shí)空,，自然要講時(shí)間的變化。廣義相對(duì)論中具有基石意義的等效原理認(rèn)為：無(wú)限小的體積中均勻的引力場(chǎng)等同于加速運(yùn)動(dòng)的參照系,。而在引力場(chǎng)中引力勢(shì)較低的位置,，也就是過(guò)去我們所學(xué)的離天體中心越近，引力越大,，那么時(shí)間進(jìn)程越慢,，物體的尺度也越小。講通俗一點(diǎn),，拿地球舉例,，站在地面上的人相比于國(guó)際空間站的宇航員感受到的引力更大，引力勢(shì)更低（這是比較容易理解的）,，那么地面上的人所經(jīng)歷的時(shí)間相比于宇航員走地更慢,，長(zhǎng)此以往將比他們更年輕！這項(xiàng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)很早就做過(guò),。1971年做過(guò)一次非常精確的測(cè)量,，哈菲爾（J．C．Ha1ele）和基?。≧．E．Keating）把4臺(tái)銫原子鐘分別放在民航客機(jī)上，在1萬(wàn)米高空沿赤道環(huán)行一周,。一架飛機(jī)自西向東飛,，一架飛機(jī)自東向西飛，然后與地面事先校準(zhǔn)過(guò)的原子鐘做比較,。同時(shí)考慮狹義相對(duì)論效應(yīng)和廣義相對(duì)論效應(yīng),，東向西的理論值是飛機(jī)上的鐘比地面快275±21納秒（10-9s）,，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果為快273±7納秒,，西向東的理論值是飛機(jī)上的鐘比地面慢40±23納秒，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果為慢59±10納秒,。其中廣義相對(duì)論效應(yīng)（即引力效應(yīng)）理論為東向西快179±18納秒,，西向東快144±14納秒，都是飛行時(shí)鐘快于地面時(shí)鐘,；但需要注意的是,，由于飛機(jī)向東航行是與地球自轉(zhuǎn)方向相同，所以相對(duì)地面靜止的鐘速度更快,，導(dǎo)致狹義相對(duì)論效應(yīng)（即運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)）更為顯著,，才使得總效應(yīng)為飛行時(shí)鐘慢于地面時(shí)鐘。

        此外,，1964年夏皮羅提出一項(xiàng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),，利用雷達(dá)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(dāng)來(lái)回的路徑遠(yuǎn)離太陽(yáng),，太陽(yáng)的影響可忽略不計(jì)；當(dāng)來(lái)回路徑經(jīng)過(guò)太陽(yáng)近旁,，太陽(yáng)引力場(chǎng)造成傳播時(shí)間加長(zhǎng),，此稱為雷達(dá)回波延遲或叫“夏皮羅時(shí)延效應(yīng)”。天文學(xué)家后來(lái)通過(guò)金星做了雷達(dá)反射完全符合相對(duì)論的描述,。2003年天文學(xué)家利用卡西尼號(hào)土星探測(cè)器,，重復(fù)了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量精度在0.002%范圍內(nèi)觀測(cè)與理論一致,，這是迄今為止精度最高的廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,。

從大質(zhì)量天體發(fā)出的光（電磁輻射），由于處于強(qiáng)引力場(chǎng)中,，其光振動(dòng)周期要比同一種元素在地球上發(fā)出光的振動(dòng)周期長(zhǎng),，由此引起光譜線向紅光波段偏移的現(xiàn)象。只有在引力場(chǎng)特別強(qiáng)的情況下,，引力造成的紅移量才能被檢測(cè)出來(lái),。二十世紀(jì)六十年代,，龐德、雷布卡和斯奈德在哈佛大學(xué)的杰弗遜物理實(shí)驗(yàn)室（Jefferson Physical Laboratory）采用穆斯堡爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法,，定量地驗(yàn)證了引力紅移,。他們?cè)诰嚯x地面22.6米的高度，放置了一個(gè)伽馬射線輻射源,，并在地面設(shè)置了探測(cè)器,。他們將輻射源上下輕輕地晃動(dòng)，同時(shí)記錄探測(cè)器測(cè)得的信號(hào)的強(qiáng)度,，通過(guò)這種辦法測(cè)量由引力勢(shì)的微小差別所造成的譜線頻率的移動(dòng),。他們的實(shí)驗(yàn)方法十分巧妙，用狹義相對(duì)論和等效原理就能解釋,。結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)值與理論值完全符合,。2010年來(lái)自美國(guó)和德國(guó)的三位物理學(xué)家馬勒（H．Muller）、彼得斯（A．Peters）和朱棣文通過(guò)物質(zhì)波干涉實(shí)驗(yàn),，將引力紅移效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)精度提高了一萬(wàn)倍,，從而更準(zhǔn)確地驗(yàn)證了愛因斯坦廣義相對(duì)論。

1916年,，德國(guó)天文學(xué)家卡爾·史瓦西計(jì)算得到愛因斯坦引力場(chǎng)方程的一個(gè)真空解,，這個(gè)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(diǎn),，并產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象。這種天體被美國(guó)物理學(xué)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(chǎng)極為強(qiáng)勁,，以至于任何物質(zhì)和輻射在進(jìn)入到黑洞的一個(gè)事件視界（臨界點(diǎn)）內(nèi)，便再無(wú)法逃脫,，甚至傳播速度最快的光（電磁波）也無(wú)法逃逸,。如果太陽(yáng)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(xué)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(guó)“自由號(hào)”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(cè)到的X射線，它事實(shí)上被一個(gè)看不見的約10倍太陽(yáng)質(zhì)量的物體牽引著,，這被認(rèn)為是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)黑洞,。雖然黑洞不可見,，但是它對(duì)周圍天體運(yùn)動(dòng)的影響是顯著的。現(xiàn)在,，黑洞已經(jīng)被人們普遍接受了,，天文學(xué)家甚至可以用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡直接看到一些黑洞吸積盤的光。

一個(gè)旋轉(zhuǎn)的物體特別是大質(zhì)量物體還會(huì)使空間產(chǎn)生另外的拖曳扭曲,，就好像在水里轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)球,，順著球旋轉(zhuǎn)的方向會(huì)形成小小的波紋和漩渦。地球的這一效應(yīng),，將使在空間運(yùn)行的陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸發(fā)生41/1000弧秒的偏轉(zhuǎn),，這個(gè)角度大概相當(dāng)于從華盛頓觀看一個(gè)放在洛杉磯的硬幣產(chǎn)生的張角。2004年4月20日,，美國(guó)航天局“引力探測(cè)-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(cè)“測(cè)地線效應(yīng)”，從而尋找“慣性系拖曳”效應(yīng)的跡象,。衛(wèi)星在軌飛行了17個(gè)月，隨后研究人員對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了5年的分析,。2011年5月4日美國(guó)航天局發(fā)布消息稱,，GP-B衛(wèi)星已經(jīng)證實(shí)了廣義相對(duì)論的這項(xiàng)預(yù)測(cè)。但是該項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和必要性受到很多批評(píng)的聲音,。

愛因斯坦在發(fā)表了廣義相對(duì)論后,，又進(jìn)一步闡述引力場(chǎng)的概念。牛頓的萬(wàn)有引力定律顯示出引力是“超距”的,，比如太陽(yáng)如果突然消失,，那么地球就會(huì)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(shí)空中傳遞,，需要時(shí)間，質(zhì)量的變化引起引力場(chǎng)變化,，引力會(huì)以光速向外傳遞,，就像水波一樣，這就是“引力波”的由來(lái),。不過(guò)愛因斯坦知道引力波很微弱,，像太陽(yáng)這樣的恒星是不能引起劇烈擾動(dòng)的，連自己都認(rèn)為可能永遠(yuǎn)都探測(cè)不到,。1974年,，美國(guó)物理學(xué)家泰勒（Joseph Taylor）和赫爾斯（Russell Hulse）利用射電望遠(yuǎn)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(zhǔn)地測(cè)出兩個(gè)致密星體繞質(zhì)心公轉(zhuǎn)的半長(zhǎng)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(yīng)當(dāng)就是釋放出的引力波,。泰勒和赫爾斯因?yàn)槭状伍g接探測(cè)引力波而榮獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。如今我們已經(jīng)直接“聽”到了引力波悅耳動(dòng)聽的聲音,，這預(yù)示著現(xiàn)代物理學(xué)嶄新的篇章就此開啟,！