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一百多年前，于1919年5月29日，天文学家们进行了一次雄心勃勃的尝试，通过爱因斯坦的相对论来观测日全食。爱因斯坦认为空间和时间交织在一个无限的、就像张开的毯子一样的“织物”状中，诸如太阳之类的重物会通过引力弯曲这个时空毯，使光线在经过太阳时不再沿直线传播。 这意味着在天空中靠近太阳的背景恒星的位置，包括在日食期间，看起来应该略有偏移，因为太阳的引力会使光线弯曲。但是在日食实验之前，没有人能够检验爱因斯坦的广义相对论，因为没有人可以在白天看到太阳附近的恒星。 全世界庆祝这次月食观察实验的重大结果，它验证了爱因斯坦的理论，这标志我们对宇宙的认知的一个新时代的到来。  广义相对论对我们在宇宙中所看到的事物，以及我们今天如何在深空进行探索发现等，具有许多重要的影响。对于爱因斯坦的狭义相对论，其广受赞誉的方程式：E = mc^2，也是如此。多亏有了爱因斯坦的相对论，人类才有了以下10大重要的认知： 宇宙速度限制 爱因斯坦著名的方程E = mc^2中包含了“c”，即真空中的光速。尽管光有许多种，从人类可以看到的彩虹色到传输航天器数据的无线电波。爱因斯坦说，所有光都必须遵守每秒30万公里的速度限制。即使两个光粒子携带非常不同的能量，它们也将以相同的速度传播。 在太空中进行的实验证明了这一点。2009年，美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜几乎在同一时刻检测到两个光子，一个光子的能量是另一个光子的一百万倍。它们都来自一个大约在70亿年前的高能区，是两个中子星碰撞的地方。中子星是爆炸的恒星的高密度残留物。尽管其它理论认为，时空本身具有“泡沫”样的质地，可能会减慢更多高能粒子，但费米伽马射线太空望远镜的观察发现，爱因斯坦更站得住脚。  2. 强引力透镜 就像太阳使来自靠近它的遥远恒星的光线弯曲一样，像银河系这样的巨大物体也会使来自更远物体的光线扭曲。在某些情况下，这种现象实际上可以帮助揭示新的星系。所以称近距离的物体就像一个“镜头”，就像望远镜一样，揭示了更远的物体。整个星系团都可以被透镜化，也可以充当透镜。 当镜头物体看起来足够靠近天空中的较远物体时，实际上会看到该遥远物体的多个图像。1979年，科学家首次观察到类星体的双重图像，类星体是位于银河系中心的非常明亮的物体，其中涉及一个超大质量的黑洞，该黑洞以一盘流入的气体为食。如果原始物体在变化，则远处物体的这些明显副本的亮度会发生变化，这是因为前面的引力会扭曲空间本身。 有时，当一个遥远的天体与另一个天体精确对准时，会看到光线弯曲成“爱因斯坦环”或弧形。在来自美国国家航空航天局哈勃太空望远镜的这张图片中，掠过的弧光代表一个遥远的星系，该星系已被镜头化，与其他星系形成如“笑脸”般的图像。  3. 弱引力透镜 当一个巨大的物体充当另一个物体的镜头，但是这些物体并未相对于我们的视线特别对齐时，只会投射一个远处物体的图像。这种情况经常发生。较近的物体的引力使背景物体看起来比实际的更大、更拉伸。这称为“弱引力透镜效应”，或简称弱透镜。 弱引力镜头对于研究宇宙中一些最大的奥秘非常重要，如暗物质和暗能量。暗物质是一种不可见的物质，它仅通过引力与常规物质相互作用，并且像宇宙胶一样将整个星系和星系组聚集在一起。暗能量的行为类似于引力的反作用，使物体彼此后退。即将投入使用的三个天文观测站：NASA的广域红外测量望远镜、WFIRST任务、由Euclid太空任务以及地面大型天体测量望远镜，将成为这项研究工作的主要参与者。通过探查整个宇宙中弱透镜星系的畸变，科学家可以描述这些使人持续困扰的现象的影响。引力透镜还将使哈勃太空望远镜能够寻找宇宙中一些最先出现的恒星和星系。  4. 微引力透镜 上面所说的巨型星体就像其它巨型星体的放大透镜一样。但是，恒星也可以“使”其他恒星“透镜化”，包括周围有行星的恒星。当背景恒星发出的光线被前面的更靠近的恒星“包围”时，背景恒星的亮度会增加。如果那颗前方的恒星也有一颗行星绕其运行，则望远镜可以检测到由该行星运行引起的背景恒星光的额外颠簸。这种发现围绕恒星周围的系外行星的技术称为“微引力透镜”，或简称微透镜。 NASA的Spitzer太空望远镜与地面观测站合作，通过微透镜发现了一颗“冰球”星球。到目前为止，虽然微透镜发现的行星不到100个，但WFIRST可以使用这种技术找到1千多个新的系外行星。  微引力透镜 5. 黑洞 黑洞是非常密集的物体，没有光可以从中逃逸，这是广义相对论的预言。它代表了时空结构的最极端扭曲，并且以它的巨大引力如何以怪异的方式影响光而闻名，只有爱因斯坦的理论才能解释。 2019年，Event Horizon Telescope国际合作推出了黑洞事件视界的第一张图像，钱德拉X射线天文台、核光谱望远镜阵列（NuSTAR）、尼尔·盖勒斯·斯威夫特天文台和费米伽马射线太空望远镜等，都在共同努力观察这个黑洞，研究人员仍在分析结果。  6. 相对论性喷流 这张Spitzer影像显示了红外线中的银河系Messier 87（M87），其中心有一个超大质量的黑洞。黑洞周围有一盘极热的气体，以及两股朝相反方向射出的喷流。  在图像右侧可见的其中一股喷流几乎正好指向地球。其增强的亮度归因于以接近光速的方向向观察者传播的粒子发出的光，这种效应称为“相对论性光束”（relativistic beaming）。相比之下，另一股喷流是不可见的，因为它正在以接近光速的速度远离观察者。这种喷流具体是如何工作的仍然是个谜，科学家正在继续研究以获取更多认知。 7. 引力涡旋 黑洞的引力是如此之强，以至于它们使物质在其周围“搅动”。就像用勺子搅拌蜂蜜一样，黑洞周围的空间就如用勺子搅拌的蜂蜜，黑洞的空间变形会对绕黑洞运转的物质产生摇晃影响。直到最近，这还只是理论上的。但在2016年，欧洲航天局XMM-牛顿和美国航天局核光谱望远镜阵列（NUSTAR）的国际科学家团队宣布，首次观察到了这种摇摆的特征。科学家将继续研究黑洞的这些奇怪影响，以进一步直接探究爱因斯坦的想法。  围绕黑洞的这种物质摆动类似于爱因斯坦解释水星奇数轨道的方式。作为离太阳最近的行星，水星受到太阳的引力作用最大，因此其轨道方向围绕太阳缓慢旋转，从而产生摆动。 8. 引力波 约100年前爱因斯坦提出了称为引力波的时空波纹，但直到最近才实际观察到。2016年，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）探测器的国际合作宣布了一个具有里程碑意义的发现：这项巨大的实验检测到引力波的细微信号，该引力波在两个黑洞合并的灾难性事件后已经传播了13亿年。这为科学领域中的多信使天文学打开了一扇可以研究引力波和光的崭新的大门。  2017年，LIGO宣布检测到该事件的引力波信号后，NASA望远镜合作测量来自两个中子星合并的光。考虑到该事件的引力波仅在合并后的γ射线前1.7秒被检测到，在两次历经1.4亿光年，科学家得出结论，爱因斯坦在这些方面也是正确的：引力波和光波以相同的速度传播。 9. 太阳延迟无线电信号 行星探索航天器也表明爱因斯坦的广义相对论是正确的。航天器使用无线电波的形式通过光与地球通信，因此提供了巨大的机会来查看像太阳这样的大物体的引力是否会改变光的路径。 1970年，美国宇航局的喷气推进实验室宣布，在1969年完成火星飞越的水手六号和七号已经使用无线电信号进行了实验，也印证了爱因斯坦的理论。水手六号和七号使用深空网络（DSN）进行了数百次无线电测量。研究人员测量了无线电信号从加利福尼亚州戈德斯通的DSN碟传播到航天器并返回所需的时间。正如爱因斯坦所预料的那样，由于太阳的引力，总往返时间有所延迟。对于水手六号，最大延迟为204微秒，虽然远远少于一秒，但几乎与爱因斯坦的理论预期完全一致。  1979年，维京号着陆器沿着这些路线进行了更为精确的实验。然后，在2003年，科学家们利用NASA的卡西尼号太空船，以比维京号高50倍的精度重复了这类无线电科学实验。结论是，爱因斯坦的理论一直是正确的！ 10. 绕地球轨道运行的证明 2004年，美国宇航局发射了一种名为“引力探测器B”的航天器，该航天器专门用于在地球轨道上的活动以观察爱因斯坦的理论。从理论上讲，地球是一个旋转的物体，除了旋转引力会使光线扭曲之外，还应该在旋转时拉动周围的时空结构。  该航天器有四个陀螺仪，并在地球绕两极运行时指向IM Pegasi星。在这个实验中，如果爱因斯坦是错的，那么这些陀螺仪将始终指向同一方向。但是在2011年，科学家宣布，由于地球的引力，陀螺仪的方向发生了微小变化，这是由于地球引力所引起的，它拖曳了周围的时空。 说到时间延迟，手机或汽车上的GPS全球定位系统需要依靠爱因斯坦的理论来保证准确性。为了知道你的位置，你需要一个接收器，例如你的电话、地面站和绕地球轨道运行的卫星网络，以发送和接收信号。但是根据广义相对论，由于地球的引力弯曲时空，卫星的时间移动速度比地球上的移动速度快。同时，狭义相对论会说，对于比其它物体移动快得多的物体，时间移动得更慢。 当科学家们计算出这些引力的净作用时，发现卫星的时钟永远总是比地球上的时钟稍快一点。虽然每一天的差异约为百万分之一秒，但这种变化的确颇为重要。如果全球定位系统的技术没有设置这样的相对性，那么你的手机定位系统有可能将把你的位置定到超出几公里的距离！ |
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