1915年，阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論。根植于對引力的全新理解，他的理論預(yù)言了一個(gè)奇異而宏大的宇宙圖景。阿爾伯特·邁克爾遜稱廣義相對論是“科學(xué)史上前所未有的科學(xué)思想革命”。

盡管今天我們將所有與廣義相對論有關(guān)的發(fā)現(xiàn)都?xì)w功于愛因斯坦，但實(shí)際上廣義相對論所帶來的比愛因斯坦愿意或能夠看到的多得多。在過去的一百年里，那些甚至連愛因斯坦都不愿意承認(rèn)的瘋狂預(yù)言，被一一被驗(yàn)證。

曾經(jīng)，我們認(rèn)為是宇宙是靜態(tài)、有限的空間，但實(shí)際上它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、不斷膨脹的舞臺(tái)。這個(gè)舞臺(tái)的浩瀚，以及在臺(tái)上出演的角色和數(shù)量，都是一百年多年前的科學(xué)家根本無法想象的，例如：

• 可觀測宇宙中包含了數(shù)千億的星系；

• 星系內(nèi)又包含著數(shù)以億計(jì)的恒星和行星；

• 恒星在生命的末期會(huì)根據(jù)其質(zhì)量演變成不同的致密天體：白矮星、中子星或黑洞；

• 白矮星會(huì)吞噬伴星的物質(zhì)，最后形成超新星爆發(fā)；

• 致密天體之間的碰撞會(huì)震顫時(shí)空，從而釋放出巨大的能量；

抬頭仰望星空，我們看到的是一片寧靜平和的宇宙，但在強(qiáng)大望遠(yuǎn)鏡的幫助下，我們可以窺探到宇宙時(shí)刻都在上演著精彩絕倫的情節(jié)。現(xiàn)在，讓我們進(jìn)入到廣義相對論所描繪的奇異卻絢麗無比的宇宙，而我們的第一站是宇宙中最神秘的天體。

什么是黑洞？

圣奧古斯丁曾說過：“那么時(shí)間是什么呢？如果沒有人問我，我知道它是什么。如果我想要向某個(gè)問我的人解釋，那我就不知道了?！?nbsp;

黑洞亦是如此。當(dāng)你詢問物理學(xué)家什么是黑洞時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)不同領(lǐng)域的物理學(xué)家會(huì)給出不同的定義。從天體物理學(xué)的角度看，黑洞是一個(gè)致密天體，是一個(gè)任何東西（包括粒子和光）都無法逃逸的區(qū)域，以及巨大的能量輸出引擎。

黑洞的誕生可追溯到1783年，當(dāng)時(shí)英國自然哲學(xué)家約翰·米歇爾詳細(xì)計(jì)算了宇宙中是否存在一種引力大到連光都無法逃逸的“暗星”。不久后皮埃爾-西蒙·拉普拉斯也獨(dú)立地提出了相似的構(gòu)思。但是，在后來長達(dá)一百多年的時(shí)間里，他們的工作都被遺忘了。直到1916年1月13日，也就是愛因斯坦完成廣義相對論的不到兩個(gè)月后，卡爾·史瓦西的工作才使黑洞的真實(shí)性有了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。而在接下來的100多年，黑洞逐漸從理論和科幻小說中，走向了現(xiàn)代天文學(xué)舞臺(tái)的中心。

圖片素材來源：ICRAR，ESO/MPE/Marc Schartmann，EHT，Wikimedia Commons

隨著收集到越來越多的觀測數(shù)據(jù)，天文學(xué)家也確認(rèn)了越來越多的黑洞，包括了由大質(zhì)量恒星在生命末期坍縮形成的恒星級(jí)黑洞，雙黑洞并合形成的中等質(zhì)量黑洞，以及隱藏在星系中心的超大質(zhì)量黑洞。目前，黑洞領(lǐng)域的研究非?；钴S，研究課題包括：

• 探索恒星級(jí)黑洞是如何在超新星爆發(fā)中形成的，以及超大質(zhì)量黑洞是如何在星系形成的過程中誕生的；

• 測量黑洞的質(zhì)量和自旋；
  

• 驗(yàn)證事件視界的真實(shí)性；
  

• 研究物質(zhì)落入黑洞時(shí)能量釋放的確切過程；
  

• 研究圍繞黑洞周圍的吸積盤，以及吸積盤是如何觸發(fā)相對論噴流的產(chǎn)生；

• 研究來自超大質(zhì)量黑洞的能量和動(dòng)量反饋，以及它們對星系演化的影響；
  

• 比較銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞和其他星系中心的黑洞；

然而，在所有黑洞相關(guān)的研究中，最引人注目的是在黑洞之中或許隱藏著極為關(guān)鍵的線索，指引著科學(xué)家找到一個(gè)統(tǒng)一一切的萬有理論。

圖片素材來源：Science，Gabriel Perez Diaz, Instituto de Astrofisica de Canarias ，Wikimedia Commons

黑洞已經(jīng)足夠令人著迷了，但更令人驚嘆的是它們在相遇、靠近、并合時(shí)，會(huì)攪亂時(shí)空，釋放出時(shí)空的“漣漪”——引力波。它不僅可以通過巨大的碰撞產(chǎn)生，也可以通過爆炸或其他加速物體產(chǎn)生。

早在1916年，愛因斯坦就預(yù)言了引力波的存在，只是他認(rèn)為我們幾乎不可能在地球上探測到。到了上個(gè)世紀(jì)50年代，當(dāng)其他人仍然在爭論引力波是否真實(shí)存在時(shí)，物理學(xué)家約瑟·夫韋伯就已經(jīng)投身于引力波的探測之中。1969年，他宣布探測到了一個(gè)明顯的信號(hào)，可能來自超新星，也可能來自脈沖星，但他的發(fā)現(xiàn)從未被證實(shí)。1974年，羅素·赫爾斯和約瑟夫·泰勒首次發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星系統(tǒng)，通過觀測雙星的軌道如何隨時(shí)間變化，他們間接證明了引力波的存在，與廣義相對論預(yù)言的一致。

2015年9月14日，來自13億光年之外的并合黑洞所輻射出的引力波終于抵達(dá)地球，導(dǎo)致了極其微末的時(shí)空擺動(dòng)——比原子核還要小1000倍。要探測到如此小尺度的變化是極具挑戰(zhàn)性的，但激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）不負(fù)眾望，在多年的努力之下終于首次直接探測到了雙黑洞并合輻射出的引力波。

 當(dāng)引力波抵達(dá)地球后，會(huì)造成非常輕微的拉伸和擠壓。

在接下來的幾年中，LIGO和Virgo（室女座引力波天文臺(tái)）還探測到了雙中子星并合事件。與雙黑洞并合不同的是，雙中子星并合不僅會(huì)輻射出引力波，還會(huì)產(chǎn)生電磁波，這意味著多信使天文學(xué)時(shí)代的崛起。隨著越來越多的引力波的到來，天文學(xué)家正揭開引力波所帶來的豐富的宇宙信息。我們也將期待下一代的（地基或天基）引力波天文臺(tái)將帶來的再一次飛躍。

圖片素材來源：Science News，Wikimedia Commons

廣義相對論不僅預(yù)言了黑洞和引力波，還預(yù)言了引力本身是大自然賦予我們觀測宇宙的絕佳放大鏡。

1919年，愛因斯坦成為家喻戶曉的名字，因?yàn)榭茖W(xué)家在日食期間測量到了光線在經(jīng)過太陽時(shí)會(huì)發(fā)生偏折，這正是愛因斯坦所預(yù)言的。然而，那時(shí)愛因斯坦還沒有意識(shí)到，引力不僅能夠彎曲光，還能表現(xiàn)的像透鏡一樣。就像放大鏡可以彎曲光線產(chǎn)生多重圖像，或者將光線聚焦產(chǎn)生比原來更大的圖像，空間中的大質(zhì)量物體也可以彎曲和聚焦更加遙遠(yuǎn)物體的光。

 引力透鏡的基本原理。

與黑洞和引力波相比，引力透鏡是一個(gè)并不是那么瘋狂的預(yù)言，但它絕對是理解宇宙演化的無價(jià)工具。

圖片素材來源：NASA，ESA，Wikimedia Commons

今天，我們已知的宇宙僅為5%，而占宇宙95%的暗物質(zhì)和暗能量完全是個(gè)謎，引力透鏡是探索它們的重要工具。例如，暗能量巡天（DES）通過引力透鏡來研究暗能量；薇拉·魯賓天文臺(tái)將通過引力透鏡來繪制暗物質(zhì)在宇宙中的分布。

圖片素材來源：Wikimedia Commons

現(xiàn)在，讓我們回到宇宙自身，它有開端嗎？它是永恒存在的嗎？

1917年，愛因斯坦將廣義相對論應(yīng)用于了宇宙學(xué)研究上，標(biāo)志著現(xiàn)代宇宙學(xué)的開端。他的計(jì)算結(jié)果表明了宇宙并非他預(yù)期中的是靜態(tài)的，為此他還在方程中引入了一個(gè)可以保持宇宙靜止的項(xiàng)——宇宙學(xué)常數(shù)。上個(gè)世紀(jì)20年代，亞歷山大·弗里德曼通過求解愛因斯坦場方程，找到了一個(gè)描述宇宙隨時(shí)間膨脹或收縮的解，這是愛因斯坦不愿意相信的結(jié)果。直到1929年，埃德溫·哈勃通過觀測發(fā)現(xiàn)，那些距離我們越是遙遠(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離我們的速度就越快。這表明宇宙確實(shí)是在膨脹。

縱觀宇宙的歷史，其實(shí)就是一個(gè)膨脹的歷史。約翰·惠勒將宇宙膨脹稱為是“科學(xué)界迄今作出的最驚人的預(yù)測。”

在弗里德曼求得方程解的幾年后，喬治·勒梅特也得出了一個(gè)膨脹的解。他繼續(xù)推理，一個(gè)膨脹的宇宙必然始于一個(gè)更小的過去——一個(gè)“原初原子”。之后，喬治·伽莫夫等人繼續(xù)發(fā)展了這一思想，也就是我們今天所謂的大爆炸理論。大爆炸理論的關(guān)鍵證據(jù)來自1964，當(dāng)時(shí)天文學(xué)家阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜意外地發(fā)現(xiàn)了大爆炸所預(yù)言的宇宙微波背景——大爆炸的余暉，形成于大爆炸后的約38萬年。通過精確地測量宇宙微波背景，天文學(xué)家可以估算出宇宙今天的年齡，約138億年！

宇宙微博背景，圖中不同的顏色表示這非常微小的溫度漲落。| 圖片素材來源：ESA/The Planck Collaboration

然而，傳統(tǒng)的大爆炸理論卻面臨了一些無法解釋的難題，比如宇宙微波背景上相隔非常遙遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)，為何具有相同的溫度？計(jì)算表明，自大爆炸以來，并沒有足夠的時(shí)間可以讓宇宙中的任意兩個(gè)地方可以實(shí)現(xiàn)這種熱平衡。到了上個(gè)世紀(jì)80年代初，阿蘭·古思提出了一個(gè)想法，他認(rèn)為如果在大爆炸后的瞬間，宇宙經(jīng)歷了一段極其快速的膨脹——暴脹時(shí)期，那么許多問題便都迎刃而解。雖然有許多證據(jù)支持暴脹理論，但它還沒有被最終證實(shí)，仍然有一些物理學(xué)家對它持懷疑態(tài)度。

到了20世紀(jì)末，當(dāng)天文學(xué)家在搜尋宇宙中的超新星爆發(fā)時(shí)，最終發(fā)現(xiàn)宇宙不僅在膨脹，而且是在加速膨脹。宇宙加速膨脹的幕后推手今天也被稱為暗能量，一些物理學(xué)家認(rèn)為它與愛因斯坦曾提出的“宇宙學(xué)常數(shù)”有關(guān)。對暗能量的理解，也將幫助我們更好的理解宇宙的終極命運(yùn)。

一百多年過去了，廣義相對論所描繪的奇異景象一次又一次的帶給我們驚奇。在震驚之余，我們需要記住的是宇宙中還有許多的未知等待被探索，比如暗物質(zhì)和暗能量仍未被“緝拿歸案”，落入黑洞中的信息的最終命運(yùn)尚未被確定，廣義相對論如何與描述微觀世界的量子力學(xué)相結(jié)合。這些大難題都將是科學(xué)家為之奮斗的目標(biāo)。