1、廣義相對(duì)論揭示奇異宇宙中子星把相當(dāng)于太陽(yáng)的質(zhì)量壓縮到一座城市大小示意圖。愛(ài)因斯坦刷新了時(shí)間和空間概念，他的理論所預(yù)測(cè)的無(wú)比奇異、無(wú)比 宏大的宇宙挑戰(zhàn)著人類(lèi)想象力的極限。誕生在瑞士一家專(zhuān)利署、成熟于德 國(guó)柏林的廣義相對(duì)論，是根植于對(duì)引力更深層面的新理解而提出的、有關(guān) 宇宙的一種開(kāi)創(chuàng)性理論。全新理論引發(fā)騷亂在廣義相對(duì)論之前，牛頓引力論已經(jīng)流行了近200年。牛頓認(rèn)為，引 力看起來(lái)就像是不同質(zhì)量之間的互相拉扯。愛(ài)因斯坦那么提出，空間和時(shí) 間是被質(zhì)量和能量扭曲的一個(gè)統(tǒng)一架構(gòu)。天體扭曲時(shí)空架構(gòu)，就像重物壓 在蹦床上。時(shí)空架構(gòu)的曲率引導(dǎo)天體運(yùn)動(dòng)。由此，引力被愛(ài)因斯坦全新解 釋。1915年底，在柏林的一系列演

2、講中，愛(ài)因斯坦描述了自己的廣義相 對(duì)論。但直到1919年的一次日全食，該理論才引起當(dāng)時(shí)學(xué)者們的普遍關(guān) 注。該理論預(yù)測(cè)，像太陽(yáng)這樣的大質(zhì)量天體可能會(huì)把附近時(shí)空扭曲到足夠 程度，以至于本來(lái)直行的陽(yáng)光被彎曲。這樣一來(lái)，遙遠(yuǎn)恒星看起來(lái)就不是 精確位于被預(yù)測(cè)的位置。在這次日食期間拍攝的照片，證實(shí)太陽(yáng)的位置移 動(dòng)符合愛(ài)因斯坦的預(yù)測(cè)。當(dāng)時(shí)一家大報(bào)對(duì)此給出的頭條標(biāo)題是“蒼穹天光 歪斜科學(xué)之人狂喜”。10年后，廣義相對(duì)論引起的轟動(dòng)乃至騷亂仍在繼續(xù)。當(dāng)時(shí)，4500人 蜂擁至位于美國(guó)紐約市的美國(guó)自然歷史博物館，欲傾聽(tīng)科學(xué)家對(duì)廣義相對(duì) 論的解釋。由于前來(lái)的人數(shù)大大超過(guò)演講廳可接納人數(shù)，人群中發(fā)生騷亂， 人們?nèi)_相加，

3、還有人沖破鐵門(mén)。警方不得不增派人手來(lái)控制局面。到了 1931年，物理學(xué)家麥克爾森美國(guó)首位諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)得主說(shuō)， 廣義相對(duì)論在科學(xué)歷史上前無(wú)古人，是科學(xué)思想的一場(chǎng)革命。我們今天已 經(jīng)知道，廣義相對(duì)論帶給我們的遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于愛(ài)因斯坦愿意或能夠預(yù)測(cè)的。該 理論是觀察宇宙的一種全新方式，其多重含義中有一些就連愛(ài)因斯坦本人 也不想接受。然而，廣義相對(duì)論的那些最奇異預(yù)測(cè)全都被證明無(wú)誤。愛(ài)因斯坦在柏林1920年照片。日食引起了科學(xué)界最初對(duì)廣義相對(duì)論的關(guān)注。宇宙狂野遠(yuǎn)超想象看上去安靜、靜態(tài)和有限的宇宙，實(shí)際上是一個(gè)充滿(mǎn)活力、持續(xù)擴(kuò)張 的競(jìng)技場(chǎng)，其中不斷上演“巨獸”之間扭曲時(shí)空的騷亂。星系聚集成超大 的星系團(tuán)，星系團(tuán)的

4、規(guī)模之巨大是科學(xué)家在20世紀(jì)之前完全無(wú)法想象的。 在這些星系內(nèi)不僅有恒星和行星，而且有很多奇異天體，它們的奇異說(shuō)明 廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的各種極端其實(shí)并不極端。例如，中子星就是一種奇異 天體，它把一顆大質(zhì)量恒星的質(zhì)量壓縮到只有一座城市大小。黑洞也是一 種奇異天體，它如此強(qiáng)烈地扭曲時(shí)空，以至于任何光線(xiàn)都不能從黑洞中逃 逸，這樣一來(lái)我們根本不可能直接看見(jiàn)黑洞。當(dāng)這些“巨獸”相互碰撞時(shí)， 它們搖撼時(shí)空，發(fā)射超巨量能量。實(shí)際上，我們的宇宙非常狂暴，持續(xù)演 化，充盈著由廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)、看似屬于科幻理論卻是實(shí)際存在的各種怪 物。科學(xué)家評(píng)價(jià)說(shuō)，廣義相對(duì)論為我們搭建了一座無(wú)比巨大的舞臺(tái)，這座 舞臺(tái)上有無(wú)窮數(shù)量的角

5、色讓我們觀察、探索和測(cè)試。宇宙本身就是一個(gè)無(wú) 比驚人的角色：它竟然有自己的一生;它在不斷膨脹;它也可能坍縮甚至死 去;在我們的宇宙之外，可能還有其他宇宙。廣義相對(duì)論讓我們意識(shí)到， 宇宙之有趣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)我們最狂野的想象。廣義相對(duì)論已成為今天宇宙理論的基石，但今天的宇宙理論遠(yuǎn)非完整。 無(wú)論是對(duì)于神秘物質(zhì)和力量，對(duì)于宇宙開(kāi)端和結(jié)局，還是對(duì)于宏觀科學(xué)怎 樣契合量子力學(xué)這樣的微觀科學(xué)，都還有大量問(wèn)題懸而未決。一些科學(xué)家 相信，要想答復(fù)其中一局部謎題，一條希望之路就是廣義相對(duì)論起初被低 估的含義一一彎曲的光線(xiàn)能放大宇宙的特征。今天的科學(xué)家繼續(xù)鉆研廣義相對(duì)論，以尋找可能被自己忽略的線(xiàn)索。 廣義相對(duì)論正在被以前

6、所未有的精確度進(jìn)行測(cè)試?？茖W(xué)就是雙向的奇妙： 廣義相對(duì)論擴(kuò)展我們的宇宙視野;反過(guò)來(lái)，我們對(duì)該理論進(jìn)行更嚴(yán)格的測(cè) 試。這種測(cè)試或許會(huì)讓我們發(fā)現(xiàn)廣義相對(duì)論的問(wèn)題，但迄今為止廣義相對(duì) 論并未被發(fā)現(xiàn)有什么問(wèn)題?？茖W(xué)家相信，廣義相對(duì)論將引領(lǐng)我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)宇 宙的更多奇異之處，去更完整地描述宇宙圖景。也就是說(shuō)，廣義相對(duì)論亮 相100多年后，宇宙依然有很多方面尚待琪測(cè)，我們將發(fā)現(xiàn)宇宙比我們現(xiàn) 在認(rèn)識(shí)到的更加瘋狂。巨大的星系團(tuán)。擴(kuò)大的場(chǎng)景愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論系列方程是一大源泉，現(xiàn)有的宇宙觀正是從這 個(gè)源泉中流出的。廣義相對(duì)論之所以令人難以置信，局部原因是它向我們 持續(xù)提出大量問(wèn)題。過(guò)去百年中，科學(xué)家探測(cè)到了超出想

7、象的一些宇宙 “巨獸”，也了解到了有關(guān)我們所在宇宙的一些重要事實(shí)：宇宙正在加速 膨脹;宇宙始于138億年前的一次大爆炸;多種神秘形式的物質(zhì)和能量，正 在以出乎預(yù)料和幾乎未知的方式塑造宇宙。2022年，視界望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)發(fā)布有史以來(lái)第一張黑洞圖像。該圖顯示 了由明亮氣體盤(pán)環(huán)繞的“巨獸”一一黑洞。黑洞之說(shuō)如此由來(lái)愛(ài)因斯坦揭幕廣義相對(duì)論后的100年多一點(diǎn)，科學(xué)家對(duì)該理論預(yù)測(cè)的 最驚人“巨獸”之一進(jìn)行了視覺(jué)證實(shí)。2022年，一個(gè)全球性望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò) 一視界望遠(yuǎn)鏡顯示一個(gè)巨大質(zhì)量物體正在瘋狂扭曲時(shí)空，以至于就連光線(xiàn) 也無(wú)法逃離它的陷阱。這個(gè)巨大質(zhì)量物體就是位于星系M87中心的黑洞， 視界望遠(yuǎn)鏡首次合成了它的圖像

8、。該工程首席科學(xué)家說(shuō)，他原本已經(jīng)意識(shí) 到視界望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了某種奇異天體，但看到M87黑洞的照片后，他非常驚 奇地發(fā)現(xiàn)這個(gè)黑洞完全符合廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)。在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里，黑洞只是數(shù)學(xué)奇觀。在20世紀(jì)第二個(gè)50年之 前，并無(wú)有關(guān)黑洞實(shí)際存在的證據(jù)。但這在物理學(xué)中并非罕見(jiàn)。某位物理 學(xué)家的方程式指向一個(gè)此前未知的現(xiàn)象，弓I發(fā)人們?yōu)榇藢ふ易C據(jù)。一旦獲 得數(shù)據(jù)，再加點(diǎn)幸運(yùn)，那么物理學(xué)家們通過(guò)找尋就能發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象。類(lèi)星體的亮度可超過(guò)它們所在的星系?？茖W(xué)家起初對(duì)此很困惑，但后 來(lái)發(fā)現(xiàn)類(lèi)星體爆發(fā)由正在“進(jìn)食”的大質(zhì)量黑洞驅(qū)動(dòng)。說(shuō)到黑洞，1916年，在愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論后不久，德國(guó)物理 學(xué)家史瓦西就針對(duì)一個(gè)

9、球形物體例如一顆恒星或行星附近的情況，對(duì) 愛(ài)因斯坦方程式給出了一種解法。史瓦西的數(shù)學(xué)推導(dǎo)說(shuō)明了在質(zhì)量相同但 個(gè)頭越來(lái)越小的天體即天體越發(fā)致密周?chē)臅r(shí)空曲率會(huì)怎樣不同。根 據(jù)史瓦西的解法，天體個(gè)頭再小也必定有一個(gè)限度。這個(gè)限度后來(lái)被稱(chēng)為 “史瓦西半徑”。到了 20世紀(jì)30年代，美國(guó)科學(xué)家?jiàn)W本海默和施耐德描述了如果一顆 大質(zhì)量恒星在自身引力下坍縮到史瓦西半徑以下的后果一一該恒星今天 稱(chēng)之為黑洞的光線(xiàn)可能永遠(yuǎn)不會(huì)到達(dá)地球。盡管如此，愛(ài)因斯坦本人及 其他大多數(shù)科學(xué)家其實(shí)并不相信這樣的恒星即黑洞是真實(shí)存在的。20世紀(jì)70年代，這位天文學(xué)家的測(cè)量結(jié)果說(shuō)明，暗物質(zhì)可能存在。黑洞比宇宙的其他很多“巨獸”更極端

10、。最大的黑洞有太陽(yáng)質(zhì)量的不 知多少億多得數(shù)不清倍，它們撕裂一顆恒星時(shí)會(huì)發(fā)射能量達(dá)200萬(wàn)億 電子伏特的粒子。這個(gè)能量級(jí)別是在世界最大最強(qiáng)粒子加速器一一大型強(qiáng) 子對(duì)撞機(jī)周?chē)捡Y的質(zhì)子的大約30倍。隨著相關(guān)證據(jù)從20世紀(jì)90年代堆積至今，科學(xué)家意識(shí)到黑洞不僅存 在，而且參與對(duì)宇宙的塑造?？茖W(xué)家指出，那些被廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)、一度 只屬于數(shù)學(xué)概念的奇異天表達(dá)在變得實(shí)實(shí)在在，非常重要。現(xiàn)在，超大質(zhì) 量黑洞存在于大多數(shù)如果不是全部星系中心，黑洞發(fā)射的能量流影響 恒星的形成方式和形成地點(diǎn)?？梢哉f(shuō)，在星系中心，黑洞主宰一切。雖然從視覺(jué)上證實(shí)黑洞存在是最近的事，但科學(xué)家感覺(jué)黑洞就像是他 們?cè)缫咽煜さ氖挛?。每?dāng)遇到

11、未知空間、不明深淵，或者竭盡全力卻回報(bào) 甚少時(shí)，他們首先想到的就是拿“黑洞”這個(gè)比喻撫慰自己。真正意義上 的黑洞卻回報(bào)豐富：它們提供一些宇宙奧秘的謎底，又呈現(xiàn)諸多新的奧秘， 還為我們的娛樂(lè)例如科幻大片提供話(huà)題。其實(shí)，只需想一想黑洞等宇 宙“巨獸，的個(gè)頭是多么龐大無(wú)比，它們又是多么沉重?zé)o比和致密無(wú)比， 就足夠讓我們驚嘆不已。黑洞發(fā)出射流想象圖。那么，科學(xué)家究竟是怎么發(fā)現(xiàn)MB7黑洞的呢？下面，我們就來(lái)講一講 這個(gè)有趣的故事。時(shí)空之波揭示黑洞當(dāng)廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的“巨獸”們相互碰撞時(shí)，它們會(huì)破壞宇宙架構(gòu)。時(shí)空上被稱(chēng)為引力波的漣漪向外擴(kuò)散，是最動(dòng)亂、最暴烈宇宙探戈的名片。 廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)，不管是巨大的碰撞

12、還是巨大的爆發(fā)或其他加速的巨大天 體，都會(huì)產(chǎn)生引力波。但在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，發(fā)現(xiàn)任何類(lèi)型的時(shí)空漣漪都 是不可及的夢(mèng)想。只有最劇烈的宇宙事件，才能產(chǎn)生足夠大，以至于可被 直接觀測(cè)到的波信號(hào)。愛(ài)因斯坦稱(chēng)這種波為引力凸，但他并不知道宇宙中 還真的存在如此巨大規(guī)模的事件。黑洞碰撞想象圖。直到于2000年去世前，韋伯始終堅(jiān)持自己的這個(gè)說(shuō)法，但該說(shuō)法也 一直未得到證實(shí)。然而，科學(xué)家們?cè)絹?lái)越相信引力波將會(huì)被發(fā)現(xiàn)。1974 年，美國(guó)兩位射電天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆環(huán)繞致密伴星的中子星。隨后幾年 里，這顆中子星及其伴星看來(lái)逐步互相靠近，這與它們向引力波失去能量 的假設(shè)情景符合。1984年，有科學(xué)家指出這意味著引力波可能

13、將被探測(cè) 到。另一種已被醞釀了幾十年的不同策略，最終提供了引力波探測(cè)所需的 靈敏度。2022年，依賴(lài)位于美國(guó)境內(nèi)不同地點(diǎn)兩部探測(cè)器的“先進(jìn)激光 干預(yù)引力波天文臺(tái)”簡(jiǎn)稱(chēng)LIGO團(tuán)隊(duì)，宣布首次證實(shí)引力波存在。其 中每一部探測(cè)器把一根強(qiáng)力激光柱一分為二，其中每個(gè)分支沿著探測(cè)器的 兩條臂中之一傳播。在不存在引力波的條件下，這兩個(gè)分支重新合并，相 互抵消匹配。但如果有引力波拉伸探測(cè)器的一條臂，同時(shí)壓縮另一條 臂，那么激光就不會(huì)匹配。這兩部探測(cè)器是令人難以置信的工程奇跡一一就算兩個(gè)黑洞相撞所發(fā) 出的時(shí)空漣漪對(duì)探測(cè)器一條臂的拉伸度僅為一個(gè)質(zhì)子直徑的萬(wàn)分之一，探 測(cè)器也能夠感知自己的臂被拉伸的幅度。第一次探測(cè)

14、到引力波來(lái)自?xún)蓚€(gè) 黑洞相撞的消息發(fā)布，被認(rèn)為開(kāi)啟了天文學(xué)新時(shí)代。這一消息理所當(dāng)然 是2022年最大的科學(xué)新聞之一，MGO團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家贏得了次年的諾貝 爾獎(jiǎng)。LIGO團(tuán)隊(duì)和意大利處女座引力波探測(cè)器團(tuán)隊(duì)迄今已記錄到數(shù)十次引 力波，其中大多數(shù)源自黑洞合并，也有一些源自中子星。引力波已經(jīng)揭示 了一些之前未知的重元素誕生地，還揭示了亞原子粒子的一種明亮射流， 這種射流可能為破解伽馬射線(xiàn)一種高能光神秘閃耀之謎提供線(xiàn)索。引 力波也說(shuō)明中等質(zhì)量黑洞質(zhì)量為太陽(yáng)的10010萬(wàn)倍確實(shí)存在，并再 度言登明愛(ài)因斯坦理論至今尚未被發(fā)現(xiàn)破綻。發(fā)現(xiàn)引力波僅僅5年，一些科學(xué)家已經(jīng)在期待宇宙中更奇異的“巨獸” 露臉。例如有科學(xué)家提議，通過(guò)引力波探測(cè)環(huán)繞蟲(chóng)洞的黑洞。事實(shí)上，引 力波天文學(xué)也真的才剛剛起步。通過(guò)提升現(xiàn)有地面探測(cè)器的靈敏度，將可 能探測(cè)到來(lái)自更遙遠(yuǎn)