110年前，爱因斯坦发表了广义相对论。在他发表这一颠覆性的引力理论之前，人们早已从牛顿的工作中得知，像恒星这样的大质量天体，会通过引力这种作用力吸引小的天体，比如行星。尽管牛顿的引力理论能够对行星轨道作出高度精确的预测，但并没有解释引力究竟是如何产生的。而爱因斯坦的理论表明，引力是时空曲率的表现。

广义相对论的核心方程——爱因斯坦场方程。

在广义相对论中，时空并非“平坦”的，而是会因为大质量物体的存在而弯曲，当这些物体在时空中运动时，它们会不断地改变时空的曲率。如此一来，引力就描述了物质与时空之间的动态相互作用。

广义相对论的提出，成功地解释了当时困扰科学家已久的水星近日点进动问题，但它真正广为人知是在1919年。

当时，天文学家爱丁顿和他的合作者利用日食测量了遥远星光在经过太阳附近时发生的偏折效应。爱丁顿测量到的恒星偏移的幅度与广义相对论所预测的一致，这个轰动性的结果不仅证实了广义相对论，也使爱因斯坦的名字家喻户晓。而这仅仅只是开始。

物理学家通过求解爱因斯坦场方程，预言了一个奇异无比的宇宙：我们时常听到的黑洞、引力波、宇宙膨胀等，实际上都是通过求解方程得出来的。

引力怪兽

1916年1月，在发表广义相对论的不到两个月的时间，史瓦西就找到了广义相对论核心方程的第一个精确解。史瓦西找到的解预示着在宇宙之中，似乎游荡着这样一种天体，其引力强大到甚至连光都无法逃脱。这种看不见的天体后来被称为黑洞。

在很长的一段时间里，黑洞只存在于理论和科幻小说之中。但现在，天文学家不仅能通过黑洞对周围物质的影响从而推断出它的必然存在，他们甚至已经看到位于M87星系和银河系中心的超大质量黑洞的阴影以及周围明亮的环状结构：

由于黑洞阴影的形状是由广义相对论预测的，因此黑洞的图像可以被用来检验广义相对论。到目前为止，所有的预测都与广义相对论相符。而在未来，天文学家还将会给黑洞拍“电影”。

时空涟漪

同样是在1916年，爱因斯坦详细计算了方程的真空解（即方程右边等于零的情况），从而预言了引力波的存在。当大质量物体加速时，会在引力场中产生扰动，这些扰动就被描述为以光速向外传播的引力波。就如同石头被扔进水里产生的波纹一样，人们形象地将引力波称之为“时空涟漪”。

在宇宙中，最极端的引力波事件来自于致密天体（比如中子星或黑洞）之间的并合。当这些事件产生的引力波经历漫长的旅途抵达地球时，会对地球造成轻微的挤压和拉伸。但这种影响几乎是微乎其微的，以至于连爱因斯坦都曾认为引力波永远不可能被直接探测到。

这种对时空的影响究竟有多微小？现在，让我们试想一下，在距离地球13亿光年之外，有一对质量分别为29倍和36倍太阳质量的黑洞在相互旋绕慢慢靠近。它们最终会并合成一个62倍太阳质量的黑洞，并在不到一秒的时间内，有相当于3个太阳质量的能量以引力波的形式辐射出去。

这使得在那短暂的瞬间，黑洞并合产生的引力辐射要比可见宇宙中所有恒星发出的光都要强很多倍。尽管如此，当如此强大的的引力波在经历十几亿年的传播抵达地球时，它所造成的时空结构的拉伸实际上非常小。多小？比原子核还要小数千倍！想要探测如此微小的变化，听起来就像是天方夜谭。

然而，爱因斯坦绝对想不到的是，2015年9月14日，也就是在他发表广义相对论的100年后，一台臂长4千米的L型探测器竟真的直接探测到了引力波。这次的探测不仅再次验证了广义相对论，也为我们观测宇宙打开了一扇新的窗口，从而开启了全新的天文学时代——引力波天文学。

如今，引力波探测器已经记录了近300起引力波事件。科学家希望能够通过引力波来检验广义相对论、测量哈勃常数（描述了宇宙的膨胀速率）、探索中子星的内部结构等等。

宇宙放大镜

凝视夜空，你所看到的所有恒星都位于银河系内。通常情况下，即使是使用最强大的望远镜，也只能分辨出邻近星系中的单个恒星。然而，一种被称为“引力透镜”的奇妙自然现象，可以帮助天文学家寻找那些非常遥远的恒星。

根据广义相对论的预言，当遥远天体发出的光在宇宙中传播时，如果光经过了一个大质量天体（比如星系团），光的路径就会发生弯曲。如果一个大质量天体恰好位于我们和一个遥远的背景光源之间，那么这个天体可能会像透镜一样，将光线偏转并聚焦，从而放大这个光源。例如，利用引力透镜效应，哈勃空间望远镜和韦布空间望远镜探测到了迄今为止最遥远的恒星——埃兰迪尔（Earendel）。这颗恒星被放大了至少4000倍，距离地球280亿光年！

除了发现那些最遥远和古老的恒星和星系，引力透镜效应也可以被用来寻找系外行星。当前景恒星放大背景恒星的光时，若有行星绕前景恒星运行，行星就会在亮度曲线上留下额外的扰动。

但更令人兴奋的是，天文学家还可以通过引力透镜绘制神秘的暗物质的分布。例如，欧几里得空间望远镜将观测数十亿个星系，从而绘制横跨百亿年宇宙历史的三维暗物质分布图。

引力透镜效应。

膨胀的宇宙

1922年，弗里德曼在研究了广义相对论，并假设宇宙是各向同性（所有方向都一样）和均匀（所有地方都一样）的之后，推导出了在宇宙学领域无人不知的弗里德曼方程。最令人惊奇的是，弗里德曼得到的解意味着宇宙可以膨胀、收缩、坍缩，甚至有一个开端，而非像当时爱因斯坦和其他大多数科学家所认为的那样是静态的。

第一个弗里德曼方程。

在弗里德曼推导出的两个方程中，第一个更为重要。方程的一边告诉我们宇宙的构造会如何随时间膨胀或收缩。方程的另一边包含了所有的物质、辐射和其他任何组成宇宙的能量形式，也包含了空间的固有曲率（不同的曲率对应宇宙不同的形状），甚至包含了爱因斯坦曾为了保持静态宇宙在方程中引入的宇宙学常数（用“Λ”表示）。

到了1920年代末，勒梅特和哈勃都独立找到了红移和距离的关系，从而发现宇宙确实正在膨胀。

到了20世纪末，天文学家基于对Ia型超新星的观测发现，宇宙膨胀的速度并没有像预期那样在引力的作用下逐渐放缓。相反，它进一步加速了，一切都在以越来越快的速度远离彼此。为了解释这一现象，科学家引入了“暗能量”这个概念。

一个膨胀的宇宙意味着它有着更炽热、致密的过去——一个开端。最终，在勒梅特、伽莫夫等人的探索下，逐渐发展出了我们今天所熟知的大爆炸理论。

今天我们知道宇宙已经有138亿年历史了，而广义相对论为描述宇宙自诞生以来的整体结构与演化过程，以及未来的演变，提供了完整的数学框架。

奇异的宇宙

110年过去了，广义相对论那些曾被视为离奇甚至不可思议的预言，已一次次得到验证，并不断刷新我们对宇宙的理解。

然而，在震撼与赞叹之外，宇宙仍然向我们保留着大量未解之谜：暗物质与暗能量的本质依然成谜；理论所允许的虫洞、白洞等极端时空结构尚未被观测证实；而如何将广义相对论与量子力学统一起来，构建一套描述自然界最基本规律的理论框架，仍是当代物理学面临的核心挑战之一。

广义相对论向我们揭示的，不只是一个可以被计算的宇宙，更是一个远超直觉的宇宙。

#创作团队：

撰文：不二北斗

设计：雯雯

#参考来源：

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

#图片来源：

封面图&首图：T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab