这一难题把物理学家从狭义相对论带到了广义相对论

• 一种点质量的重弯曲时空图，它对应于位于黑洞视界外的物理场景。当你越来越接近时空中的物质位置时，空间变得更加弯曲，最终导致一个甚至光不能逃脱的位置：事件视界。这个位置的半径是由黑洞的质量、电荷和角动量、光的速度和广义相对论定律所决定的。

如果你在二十世纪初是一个物理学家，你就不会有什么神秘的事情需要你去思考。牛顿关于宇宙的观点——关于光学和光，关于运动和力学，以及关于引力——在大多数情况下都是难以置信的成功，但却面临着前所未有的疑虑和挑战。

早在19世纪，光就被证明具有类似波的性质：干涉和衍射。但它也有类似粒子的特性，因为它可以散射电子，甚至将能量传递给电子；光不可能是牛顿想象中的“微粒”。牛顿力学在高速下失效，因为狭义相对论造成了时长收缩和时间在光速附近延长。万有引力成了牛顿力学最后一根稻草，爱因斯坦在1915年提出了广义相对论，粉碎了它。只有一个关键的难题，把我们带到那里。

• 在一个空的、空白的、三维的网格上，放放置一个质量物体会导致原本是“直线”的东西变成一定数量的曲线。在广义相对论中，我们把空间和时间视为连续的，但所有形式的能量，包括但不限于质量，都有助于时空曲率。如果我们用更密集的版本取代地球，包括奇点，这里显示的时空变形将是相同的;只有地球内部才会有显著的差异。

今天，由于爱因斯坦的理论，我们把时空视为一个统一的实体：一个四维结构，由于物质和能量的存在而变得弯曲。弯曲的背景是宇宙中所有粒子、反粒子和辐射都必须必须经过的阶段，而时空的曲率告诉我们物质是如何移动。

这是广义相对论的大概念，也是为什么它是从狭义相对论升级的概念。是的，空间和时间仍然被拼接成一个统一的实体：时空。是的，所有无质量粒子相对于所有观察者以光速传播，所有大颗粒都不可能达到这样的速度。相反，它们在宇宙中移动，看到空间收缩，时间扩张，并在从侠义相对论到广义相对论的升级中，看到新的引力现象，否则不会出现。

• 引力波在一个方向上传播，在引力波的极化定义的相互垂直的方向上交替地扩展和压缩空间。引力波本身，在引力量子理论中，应该由引力场的单个量子构成：gravitons。当引力波在空间上均匀分布时，振幅（即为1／r）是探测器的关键量，而不是能量（它是1／r²）。

这些相对论效应，大约在过去的一个世纪里，已经出现在一些壮观的地方。光红移或蓝移，因为它进入或离开重力场，这是庞德-雷布卡实验首次检测到的。每当两个质量相对移动时，都会发出引力波，这种效应在100年前预测过，但在过去4年中，LIGO/Virgo才探测到。

当星光经过一个巨大的引力源时，它会弯曲：这一效应在我们的太阳系中出现，就像遥远的星系和星系团一样强劲。而且，也许最引人注目的是，广义相对论的框架预测空间将以这样的方式弯曲，即在多个不同的时间，可以在多个位置看到远距离事件。我们用这个预测来观察超新星在同一星系中多次爆炸，这是广义相对论非直觉力量的壮观表现。

• 左边的图像显示了哈勃前沿场计划中对MACSJ1149.5 2223星系团的部分深场观测。圆表示超新星最新出现的预测位置。到右下角的爱因斯坦十字架事件从2014年底是可见的。右上角的图像显示了2015年10月哈勃望远镜观测到的超新星的最新外观。右下角的图像显示了2015年12月11日的RefSDa超新星的发现，正如几个不同模型所预测的那样。当哈勃首次提出时，没有人想到它能拍摄到这样的事情；这展示了旗舰级天文台的持续能量。

上面提到的测试只是广义相对论所探讨的一些非常彻底的方法，远非详尽无遗。但是在广义相对论中出现的大部分可观察到的结果，只有在理论本身形成之后才能得到很好的解决。它们不能用来推动广义相对论本身的形成，但有些事情显然是这样做的。

如果你是20世纪初的物理学家，你会有机会打败爱因斯坦。在19世纪中叶，很明显水星的轨道出了问题：它没有遵循牛顿万有引力预测的路径。天王星的一个类似问题导致了海王星的发现，因此许多人希望水星的轨道与牛顿的预测不匹配，这意味着必须有一颗新行星存在于水星轨道的内侧。这个想法如此引人注目，以至于这颗行星已经被预先命名为：vulcan。

• 通过检查天王星轨道异常发现海王星后，科学家勒维耶将注意力转向水星轨道异常。他提出了一个内部行星，vulcan作为解释。虽然vulcan肯并不存在，但勒维耶的计算帮助爱因斯坦最终解决了广义相对论。

但是VulCAN并不存在，因为详尽的搜索很快就被确定了。如果牛顿引力是完美的，也就是说，如果我们把宇宙理想化，在太阳系中仅有太阳和水星，那么水星将在围绕太阳的轨道上形成一个完美的封闭椭圆。

当然，宇宙并不理想。我们从地球上看到太阳-水星系统，它本身在椭圆中移动，在其轴上旋转，并看到自旋轴随时间而偏离。计算这个效果，你会发现水星的轨道路径的形状不再是一个封闭的椭圆，而是每世纪5025弧秒（其中3600弧秒为1度）的椭圆形和近地点。太阳系中还有许多其他行星在太阳-水星系统上拖曳。如果计算它们的所有贡献，它们每世纪增加 532 弧秒。

• 根据两个不同的引力理论，当其他行星和地球运动的影响被减去时，牛顿的预测是一个红色的（封闭的）椭圆，与爱因斯坦预言的水星轨道的蓝色（进动）椭圆背道而驰。

总而言之，这导致在牛顿引力下，对水星近地点每世纪5557弧秒的理论预测。但是，我们非常好的观察结果显示，这个数字略有下降，因为我们看到每世纪有5600弧秒的衰退。每世纪额外增加43弧秒是一个令人烦恼的谜团，而寻找水星内部行星的失败，进一步加深了这个谜团。

事后看来，我们很容易就挥挥手，声称广义相对论提供了答案。但这并不是唯一可能的答案。我们可以稍微修改牛顿的引力定律，稍微不同于平方反比定律，这可能是额外进动的原因。我们可以要求太阳是一个扁圆球体，而不是一个球体，这可能导致额外的岁差。然而，其他的观测限制排除了这些情况，就像排除了VulCAN的情况一样。

• 爱因斯坦提出的相对论运动的一个革命性的方面，但之前由劳伦茨、菲茨杰拉德和其他人建立的，即快速移动的物体似乎在空间收缩并在时间上膨胀。你相对于静止的人，移动的速度越快，你的空间距离越长，收缩的时间越长，而外面的时间似乎越长。这幅相对论力学的图画取代了经典力学的旧牛顿观，可以解释宇宙射线μ子的寿命等现象。

但有时，理论的进步会带来更深层次的理论进步。1905年，《狭义相对论》出版，使人们认识到，在接近光速的速度下，距离似乎沿着运动方向收缩，而时间似乎会拉长一个观察者相对于另一个观察者移动的距离。1907/8年，爱因斯坦的前教授赫尔曼·明科夫斯基（Hermann Minkowski）写下了第一个将空间（3D）和时间（1D）统一为四维时空结构的数学框架。

如果这只是你知道的，但你在思考水星问题，你可能会有一个惊人的认识：水星不仅是最接近太阳的行星，而且也是太阳系中移动速度最快的行星。

• 图：行星围绕太阳旋转的速度取决于它们与太阳的距离。海王星是太阳系中最慢的行星，以5千米/秒的速度绕太阳运行。相比之下，水星以太阳速度大约9倍的速度围绕太阳旋转。

水星的平均速度为47.36公里/秒，与光速相比，它的移动速度非常慢：仅是真空光速的0.0158%。然而，每一个世纪的每一天的每一刻，它以这种速度永不停歇地移动着。虽然狭义相对论的影响可能在典型的实验时间尺度上很小，但我们已经观察到行星移动了几个世纪。

爱因斯坦从来没有想过这一点，他从未想过要计算水星在太阳周围的快速运动的特殊相对论效应，以及它如何影响它的近日点进动。但是另一位当代科学家，亨利·庞加莱，决定自己做这个计算。当他在空间收缩和时间膨胀两个因素，他发现，它导致大约每一个7到10弧秒的轨道岁差每百年。

• 最好的方法是从一个大望远镜看到水星，几十个堆叠图像（左，1998年，和中心，2007年）在红外线可以重建，或直接去水星，直接拍摄图像（右），如2009年信使号直接探索水星。太阳系中最小的行星，它靠近地球意味着它总是比海王星和天王星都大。

这很吸引人，原因有二：

• 对岁差的贡献实际上是朝正确方向迈出的一步，大约占20%的差异，如果宇宙服从狭义相对论，则必须存在这种效应。

• 但这一贡献本身不足以解释全部差异。

换言之，做狭义相对论计算是一条线索，表明我们走在正确的轨道上，越来越接近答案。但同样的，这不是完全的答案，那就需要别的东西。正如爱因斯坦正确推测的那样，“另一个”是编纂一个也包含了狭义相对论的万有引力理论。正是沿着这些思路，并跟随闵可夫斯基和的贡献，爱因斯坦终于能够提出他的等效原理，这导致了广义相对论的成熟。

• 在加速火箭（左）和地球上（右）中，球落到地板上的相同行为是爱因斯坦等价原理的证明。虽然在单个点测量加速度表明引力加速度与其他形式的加速度之间没有区别，但沿该路径测量多个点将显示差异。注意到引力与任何其他加速度无异，是导致爱因斯坦将引力与狭义相对论统一的顿悟。

如果我们从来没有注意到水星的预期行为与它观察到的行为的微小偏差，就不会有令人信服的观测要求来取代牛顿的引力。如果亨利·庞加莱从未做过计算，论证了狭义相对论如何应用于这个轨道问题，我们可能永远不会得到解决这个悖论的关键暗示，这个悖论的解决，在于运动物体物理学（相对论）与我们的引力理论的统一。

意识到引力只是另一种形式的加速对物理学来说是一个巨大的福音，但是如果没有导致爱因斯坦伟大觉悟的暗示，这是不可能的。这对我们所有人来说都是一个伟大的教训，即使在今天：当你看到数据与预期不符时，它可能是科学革命的预兆。我们必须保持开放的态度，但只有通过理论预测与实验和观测结果的相互作用，我们才能希望对宇宙的理解实现下一个飞跃。