一個(gè)奇異的宇宙

110年前，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論。在他發(fā)表這一顛覆性的引力理論之前，人們?cè)缫褟?strong>牛頓的工作中得知，像恒星這樣的大質(zhì)量天體，會(huì)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?qū)π行擒壍雷鞒龈叨染_的預(yù)測，但并沒有解釋引力究竟是如何產(chǎn)生的。而愛因斯坦的理論表明，引力是時(shí)空曲率的表現(xiàn)。

廣義相對(duì)論的核心方程——愛因斯坦場方程。

在廣義相對(duì)論中，時(shí)空并非“平坦”的，而是會(huì)因?yàn)榇筚|(zhì)量物體的存在而彎曲，當(dāng)這些物體在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們會(huì)不斷地改變時(shí)空的曲率。如此一來，引力就描述了物質(zhì)與時(shí)空之間的動(dòng)態(tài)相互作用。

廣義相對(duì)論的提出，成功地解釋了當(dāng)時(shí)困擾科學(xué)家已久的水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)問題，但它真正廣為人知是在1919年。

當(dāng)時(shí)，天文學(xué)家愛丁頓和他的合作者利用日食測量了遙遠(yuǎn)星光在經(jīng)過太陽附近時(shí)發(fā)生的偏折效應(yīng)。愛丁頓測量到的恒星偏移的幅度與廣義相對(duì)論所預(yù)測的一致，這個(gè)轟動(dòng)性的結(jié)果不僅證實(shí)了廣義相對(duì)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(xué)家通過求解愛因斯坦場方程，預(yù)言了一個(gè)奇異無比的宇宙：我們時(shí)常聽到的黑洞、引力波、宇宙膨脹等，實(shí)際上都是通過求解方程得出來的。

引力怪獸

1916年1月，在發(fā)表廣義相對(duì)論的不到兩個(gè)月的時(shí)間，史瓦西就找到了廣義相對(duì)論核心方程的第一個(gè)精確解。史瓦西找到的解預(yù)示著在宇宙之中，似乎游蕩著這樣一種天體，其引力強(qiáng)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(shí)間里，黑洞只存在于理論和科幻小說之中。但現(xiàn)在，天文學(xué)家不僅能通過黑洞對(duì)周圍物質(zhì)的影響從而推斷出它的必然存在，他們甚至已經(jīng)看到位于M87星系和銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞的陰影以及周圍明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)：

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

時(shí)空漣漪

同樣是在1916年，愛因斯坦詳細(xì)計(jì)算了方程的真空解（即方程右邊等于零的情況），從而預(yù)言了引力波的存在。當(dāng)大質(zhì)量物體加速時(shí)，會(huì)在引力場中產(chǎn)生擾動(dòng)，這些擾動(dòng)就被描述為以光速向外傳播的引力波。就如同石頭被扔進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋一樣，人們形象地將引力波稱之為“時(shí)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(dāng)這些事件產(chǎn)生的引力波經(jīng)歷漫長的旅途抵達(dá)地球時(shí)，會(huì)對(duì)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(rèn)為引力波永遠(yuǎn)不可能被直接探測到。

這種對(duì)時(shí)空的影響究竟有多微小？現(xiàn)在，讓我們?cè)囅胍幌拢诰嚯x地球13億光年之外，有一對(duì)質(zhì)量分別為29倍和36倍太陽質(zhì)量的黑洞在相互旋繞慢慢靠近。它們最終會(huì)并合成一個(gè)62倍太陽質(zhì)量的黑洞，并在不到一秒的時(shí)間內(nèi)，有相當(dāng)于3個(gè)太陽質(zhì)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(chǎn)生的引力輻射要比可見宇宙中所有恒星發(fā)出的光都要強(qiáng)很多倍。盡管如此，當(dāng)如此強(qiáng)大的的引力波在經(jīng)歷十幾億年的傳播抵達(dá)地球時(shí)，它所造成的時(shí)空結(jié)構(gòu)的拉伸實(shí)際上非常小。多小？比原子核還要小數(shù)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(duì)想不到的是，2015年9月14日，也就是在他發(fā)表廣義相對(duì)論的100年后，一臺(tái)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(yàn)證了廣義相對(duì)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(xué)時(shí)代——引力波天文學(xué)。

如今，引力波探測器已經(jīng)記錄了近300起引力波事件。科學(xué)家希望能夠通過引力波來檢驗(yàn)廣義相對(duì)論、測量哈勃常數(shù)（描述了宇宙的膨脹速率）、探索中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)。通常情況下，即使是使用最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，也只能分辨出鄰近星系中的單個(gè)恒星。然而，一種被稱為“引力透鏡”的奇妙自然現(xiàn)象，可以幫助天文學(xué)家尋找那些非常遙遠(yuǎn)的恒星。

根據(jù)廣義相對(duì)論的預(yù)言，當(dāng)遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光在宇宙中傳播時(shí)，如果光經(jīng)過了一個(gè)大質(zhì)量天體（比如星系團(tuán)），光的路徑就會(huì)發(fā)生彎曲。如果一個(gè)大質(zhì)量天體恰好位于我們和一個(gè)遙遠(yuǎn)的背景光源之間，那么這個(gè)天體可能會(huì)像透鏡一樣，將光線偏轉(zhuǎn)并聚焦，從而放大這個(gè)光源。例如，利用引力透鏡效應(yīng)，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和韋布空間望遠(yuǎn)鏡探測到了迄今為止最遙遠(yuǎn)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(fā)現(xiàn)那些最遙遠(yuǎn)和古老的恒星和星系，引力透鏡效應(yīng)也可以被用來尋找系外行星。當(dāng)前景恒星放大背景恒星的光時(shí)，若有行星繞前景恒星運(yùn)行，行星就會(huì)在亮度曲線上留下額外的擾動(dòng)。

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

引力透鏡效應(yīng)。

膨脹的宇宙

1922年，弗里德曼在研究了廣義相對(duì)論，并假設(shè)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(dǎo)出了在宇宙學(xué)領(lǐng)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(gè)開端，而非像當(dāng)時(shí)愛因斯坦和其他大多數(shù)科學(xué)家所認(rèn)為的那樣是靜態(tài)的。

第一個(gè)弗里德曼方程。

在弗里德曼推導(dǎo)出的兩個(gè)方程中，第一個(gè)更為重要。方程的一邊告訴我們宇宙的構(gòu)造會(huì)如何隨時(shí)間膨脹或收縮。方程的另一邊包含了所有的物質(zhì)、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(duì)應(yīng)宇宙不同的形狀），甚至包含了愛因斯坦曾為了保持靜態(tài)宇宙在方程中引入的宇宙學(xué)常數(shù)（用“Λ”表示）。

到了1920年代末，勒梅特和哈勃都獨(dú)立找到了紅移和距離的關(guān)系，從而發(fā)現(xiàn)宇宙確實(shí)正在膨脹（詳見）。

到了20世紀(jì)末，天文學(xué)家基于對(duì)Ia型超新星的觀測發(fā)現(xiàn)，宇宙膨脹的速度并沒有像預(yù)期那樣在引力的作用下逐漸放緩。相反，它進(jìn)一步加速了，一切都在以越來越快的速度遠(yuǎn)離彼此。為了解釋這一現(xiàn)象，科學(xué)家引入了“暗能量”這個(gè)概念。

一個(gè)膨脹的宇宙意味著它有著更熾熱、致密的過去——一個(gè)開端。最終，在勒梅特、伽莫夫等人的探索下，逐漸發(fā)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(jīng)有138億年歷史了，而廣義相對(duì)論為描述宇宙自誕生以來的整體結(jié)構(gòu)與演化過程，以及未來的演變，提供了完整的數(shù)學(xué)框架。

奇異的宇宙

110年過去了，廣義相對(duì)論那些曾被視為離奇甚至不可思議的預(yù)言，已一次次得到驗(yàn)證，并不斷刷新我們對(duì)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(zhì)與暗能量的本質(zhì)依然成謎；理論所允許的蟲洞、白洞等極端時(shí)空結(jié)構(gòu)尚未被觀測證實(shí)；而如何將廣義相對(duì)論與量子力學(xué)統(tǒng)一起來，構(gòu)建一套描述自然界最基本規(guī)律的理論框架，仍是當(dāng)代物理學(xué)面臨的核心挑戰(zhàn)之一。

廣義相對(duì)論向我們揭示的，不只是一個(gè)可以被計(jì)算的宇宙，更是一個(gè)遠(yuǎn)超直覺的宇宙。

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#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：

撰文：不二北斗

設(shè)計(jì)：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