空间扭曲

尽管爱因斯坦的狭义相对论在被提出后的几年内就得到了广泛的认可，但爱因斯坦并不满意这个理论。他认为，这仍然不完整，这个理论忽略了对任何重力的提及，牛顿的引力理论似乎违背了狭义相对论的基本原则。

想象一下，太阳如果突然消失会发生什么？地球甩出公转轨道需要多少时间？根据牛顿的理论，如果太阳消失，地球会立刻飞入太空深处，离开太阳系。

对爱因斯坦来说，这个结论不可接受。任何东西，包括重力，不可能快于光速。地球需要8分钟（太阳发出的光到达地球所需的时间）才能脱离轨道。这显然需要一个新的引力理论。牛顿的引力理论一定是错误的，因为它并未提到光速这个宇宙中的终极速度。

爱因斯坦在1915年提出的解决这个难题的方法是广义相对论，将引力解释为时空和物质能量的结合。虽然这个方程的数学很复杂，但这个理论可由简单的物理图像作概括。

想象一下，一个蹦床网，中间放着一个保龄球。自然地，球的重量会使蹦床网下沉。现在，考虑一个沿着弧形网表面运动的小弹球。这个小弹球不会沿着直线运动，而是在保龄球引起的凹陷周围的环形轨道上行进。

根据牛顿的说法，人们可以想象一种无形的“力”作用在保龄球和小弹球之间。然而，根据爱因斯坦的说法，更简单的解释是保龄球引起的网表面的扭曲使小弹球在圆周上运动。

现在让我们想象，这个球实际上是我们的太阳，小弹球是地球，蹦床网是空间-时间。我们忽然认识到，“重力”根本不是力，而是质量-能量（太阳）存在所引起的时空弯曲。

如果保龄球突然从蹦床网上被移走，那么，由它的移除引起的振动必然会像波浪一样沿着网的表面传播。几分之一秒之后，这个波会撞击小弹球，小弹球的路线必然发生改变。显然，这就是太阳突然消失会发生什么这个问题的解。万有引力的波以光的速度传播，在太阳消失后的8分钟到达地球。重力理论和相对论兼容了。

许多物理学家怀着怀疑的心理再次欢迎爱因斯坦的重力新理论。物理学家被爱因斯坦所说的我们生活在四维时空连续体搞晕了，现在又面临着一个更不可思议的理论——这个连续体由于物质-能量的存在而扭曲。

1919年5月29日，爱因斯坦的广义相对论在巴西和非洲的一次日全食中进行了戏剧性的测试。爱因斯坦的理论预测光束的路径（像物质一样）——当它经过太阳时会弯曲（见下图）。这意味着太阳那样巨大的物质-能量可能会扭曲时空。此星光围绕太阳的偏转是对这些想法一个戏剧性的验证。

星光路径的这种扭曲是通过日食期间比较做出的，当星星变得可见时，测量夜晚的星星位置和白天的星星位置。当科学家测量太阳的存在确实产生了星光弯曲并验证了广义相对论时，世界为之轰动。

爱因斯坦是如此确信这个物理图像和方程的正确性，以至他对日食实验的结果丝毫不感到惊讶。那年，一名学生问爱因斯坦，如果实验失败，他会有什么反应。“我会为亲爱的上帝感到遗憾，”爱因斯坦回答，“但我的理论绝对正确。”

（事实上，爱因斯坦的理论建立在严格的物理原则基础上，且有如此美丽的对称，以至于他在获得诺贝尔奖之前深信自己向前妻做出的承诺，相信她一定能得到离婚协议中自己承诺的诺贝尔奖份额。然而，当1921年爱因斯坦最终获得诺贝尔物理学奖时，诺贝尔委员会在相对论这个问题上的意见不一，尽管有大量数据支持相对论，但爱因斯坦却因其关于光电效应的理论获奖。）

根据爱因斯坦的说法，重力使星光弯曲是因为太阳实际上扭曲了它附近的时空。图中，黑星代表恒星的实际位置，白星代表从地球上观看恒星的表观位置。

今天，重力导致的光线偏移可在实验室测量，而无需将光束越过太阳。在1959年和1965年，哈佛大学教授罗伯特·庞德和他的同事们表明，当伽马射线（一种形式的电磁辐射）从一个大楼顶部到底部传送74英尺的距离，重力会使它们的波长改变一个极小的但仍能测到的量——一百万亿分之一。这也是爱因斯坦预测的数量。

尽管多年来人们将爱因斯坦的理论成就归因于他的“天才”，事后看来，我们可以在一致性的背景下考虑广义相对论。爱因斯坦的策略类似于牛顿和麦克斯韦，即发现潜在物理原理能将两个不同概念结合在一个宇宙统一体中。