空間扭曲

盡管愛因斯坦的狹義相對論在被提出后的幾年內(nèi)就得到了廣泛的認可，但愛因斯坦并不滿意這個理論。他認為，這仍然不完整，這個理論忽略了對任何重力的提及，牛頓的引力理論似乎違背了狹義相對論的基本原則。

想象一下，太陽如果突然消失會發(fā)生什么？地球甩出公轉軌道需要多少時間？根據(jù)牛頓的理論，如果太陽消失，地球會立刻飛入太空深處，離開太陽系。

對愛因斯坦來說，這個結論不可接受。任何東西，包括重力，不可能快于光速。地球需要8分鐘（太陽發(fā)出的光到達地球所需的時間）才能脫離軌道。這顯然需要一個新的引力理論。牛頓的引力理論一定是錯誤的，因為它并未提到光速這個宇宙中的終極速度。

愛因斯坦在1915年提出的解決這個難題的方法是廣義相對論，將引力解釋為時空和物質能量的結合。雖然這個方程的數(shù)學很復雜，但這個理論可由簡單的物理圖像作概括。

想象一下，一個蹦床網(wǎng)，中間放著一個保齡球。自然地，球的重量會使蹦床網(wǎng)下沉。現(xiàn)在，考慮一個沿著弧形網(wǎng)表面運動的小彈球。這個小彈球不會沿著直線運動，而是在保齡球引起的凹陷周圍的環(huán)形軌道上行進。

根據(jù)牛頓的說法，人們可以想象一種無形的“力”作用在保齡球和小彈球之間。然而，根據(jù)愛因斯坦的說法，更簡單的解釋是保齡球引起的網(wǎng)表面的扭曲使小彈球在圓周上運動。

現(xiàn)在讓我們想象，這個球實際上是我們的太陽，小彈球是地球，蹦床網(wǎng)是空間-時間。我們忽然認識到，“重力”根本不是力，而是質量-能量（太陽）存在所引起的時空彎曲。

如果保齡球突然從蹦床網(wǎng)上被移走，那么，由它的移除引起的振動必然會像波浪一樣沿著網(wǎng)的表面?zhèn)鞑ァ追种幻胫螅@個波會撞擊小彈球，小彈球的路線必然發(fā)生改變。顯然，這就是太陽突然消失會發(fā)生什么這個問題的解。萬有引力的波以光的速度傳播，在太陽消失后的8分鐘到達地球。重力理論和相對論兼容了。

許多物理學家懷著懷疑的心理再次歡迎愛因斯坦的重力新理論。物理學家被愛因斯坦所說的我們生活在四維時空連續(xù)體搞暈了，現(xiàn)在又面臨著一個更不可思議的理論——這個連續(xù)體由于物質-能量的存在而扭曲。

1919年5月29日，愛因斯坦的廣義相對論在巴西和非洲的一次日全食中進行了戲劇性的測試。愛因斯坦的理論預測光束的路徑（像物質一樣）——當它經(jīng)過太陽時會彎曲（見下圖）。這意味著太陽那樣巨大的物質-能量可能會扭曲時空。此星光圍繞太陽的偏轉是對這些想法一個戲劇性的驗證。

星光路徑的這種扭曲是通過日食期間比較做出的，當星星變得可見時，測量夜晚的星星位置和白天的星星位置。當科學家測量太陽的存在確實產(chǎn)生了星光彎曲并驗證了廣義相對論時，世界為之轟動。

愛因斯坦是如此確信這個物理圖像和方程的正確性，以至他對日食實驗的結果絲毫不感到驚訝。那年，一名學生問愛因斯坦，如果實驗失敗，他會有什么反應。“我會為親愛的上帝感到遺憾，”愛因斯坦回答，“但我的理論絕對正確。”

（事實上，愛因斯坦的理論建立在嚴格的物理原則基礎上，且有如此美麗的對稱，以至于他在獲得諾貝爾獎之前深信自己向前妻做出的承諾，相信她一定能得到離婚協(xié)議中自己承諾的諾貝爾獎份額。然而，當1921年愛因斯坦最終獲得諾貝爾物理學獎時，諾貝爾委員會在相對論這個問題上的意見不一，盡管有大量數(shù)據(jù)支持相對論，但愛因斯坦卻因其關于光電效應的理論獲獎。）

今天，重力導致的光線偏移可在實驗室測量，而無需將光束越過太陽。在1959年和1965年，哈佛大學教授羅伯特·龐德和他的同事們表明，當伽馬射線（一種形式的電磁輻射）從一個大樓頂部到底部傳送74英尺的距離，重力會使它們的波長改變一個極小的但仍能測到的量——一百萬億分之一。這也是愛因斯坦預測的數(shù)量。

盡管多年來人們將愛因斯坦的理論成就歸因于他的“天才”，事后看來，我們可以在一致性的背景下考慮廣義相對論。愛因斯坦的策略類似于牛頓和麥克斯韋，即發(fā)現(xiàn)潛在物理原理能將兩個不同概念結合在一個宇宙統(tǒng)一體中。