前言

1915年，距今一個(gè)多世紀(jì)以前，阿爾伯特·愛因斯坦在11月里連續(xù)做了四場(chǎng)周三的報(bào)告，向普魯士科學(xué)院介紹了他研究8年的引力理論。在座的德國(guó)科學(xué)家聽眾里，受觸動(dòng)、感到振奮的占少數(shù)，大多數(shù)人被搞糊涂了，還有一些公開表示反對(duì)。而在德國(guó)科學(xué)界以外，愛因斯坦的報(bào)告基本上沒什么影響力。此時(shí)第一次世界大戰(zhàn)進(jìn)行正酣，除了瑞士、荷蘭等少數(shù)幾個(gè)中立國(guó)，德國(guó)基本上隔絕于世界其他國(guó)家。夜以繼日的辛苦計(jì)算，再加上戰(zhàn)時(shí)柏林定額的食物配給以及其他匱乏，讓愛因斯坦身心俱疲。他回到了自己的辦公室，繼續(xù)埋頭耕耘他那相對(duì)來說默默無聞的新理論。

但僅僅過了4年，在英國(guó)天文學(xué)家們宣布愛因斯坦關(guān)于光線近日引力偏折的預(yù)言正確之后[1]，國(guó)際頭條就把愛因斯坦宣揚(yáng)成了牛頓的接班人，一位預(yù)言了奇異的全新宇宙的先知。這個(gè)宇宙被可變的時(shí)間和彎曲的空間所支配，描述它的繁難數(shù)學(xué)在世界上也只有屈指可數(shù)的幾個(gè)人能掌握。一夜之間，愛因斯坦成了一位科學(xué)巨星。他總體來說享受這種身份，但偶爾也感到厭棄。然而，他那名叫廣義相對(duì)論的思維產(chǎn)物卻迅速被缺少實(shí)用意義、匱乏實(shí)驗(yàn)支持以及太過深?yuàn)W的名聲給拖累得衰頹了[2]。很快，在物理學(xué)的體系中，廣義相對(duì)論變成了比補(bǔ)丁強(qiáng)不了多少的存在。

然而到了2015年——廣義相對(duì)論一百周年誕辰時(shí)，愛因斯坦的理論已經(jīng)在物理學(xué)的圣殿中找到了自己名正言順的位置。它的預(yù)言已經(jīng)被驗(yàn)證了一遍又一遍，有時(shí)精確度簡(jiǎn)直匪夷所思。在大學(xué)的書架上，廣義相對(duì)論的課本并列在量子力學(xué)、固體物理、天文學(xué)公認(rèn)的經(jīng)典旁邊；開設(shè)廣義相對(duì)論課程，也成了物理學(xué)院培養(yǎng)本科和研究生的常規(guī)舉措。從高能物理、天文學(xué)到宇宙學(xué)，廣義相對(duì)論已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在若干領(lǐng)域。像霍金這樣的當(dāng)代科學(xué)巨星，在油管網(wǎng)和《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）等電視劇里詳細(xì)地講解彎曲時(shí)空。就連汽車導(dǎo)航和尋找遺失的智能手機(jī)都要依賴廣義相對(duì)論，因?yàn)樵贕PS這樣的全球性定位系統(tǒng)里，必須要考慮時(shí)間的變動(dòng)。

2015年9月14號(hào)，百歲廣義相對(duì)論頭上又加冕了一頂皇冠。在這一天，人們探測(cè)到了離地球100萬光年外一對(duì)黑洞并合產(chǎn)生的引力波。愛因斯坦在1916年首次預(yù)言了這種波，在20世紀(jì)30年代又短暫地懷疑過它的真實(shí)性，認(rèn)為永遠(yuǎn)不能在現(xiàn)實(shí)中探測(cè)到它。探測(cè)結(jié)果于2016年2月在新聞發(fā)布會(huì)上公布，證實(shí)了愛因斯坦是正確的，并成為和百年前同樣轟動(dòng)的世界級(jí)頭條。更重要的是，它為天文研究開辟了一條新的道路：人們不僅能用眼睛觀察宇宙，還能“聆聽”宇宙。除此之外，它也打開了用黑洞、中子星和引力波來檢驗(yàn)愛因斯坦理論的大門。

本書有關(guān)于愛因斯坦百余年前的發(fā)現(xiàn)——廣義相對(duì)論，內(nèi)容側(cè)重于實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)。廣義相對(duì)論是一項(xiàng)非常漂亮的理論。愛因斯坦依據(jù)優(yōu)美、簡(jiǎn)潔、優(yōu)雅的美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，得出了它的最終形式。到了最后，盡管愛因斯坦仍然贊許實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的作用，但在內(nèi)心深處他其實(shí)已經(jīng)認(rèn)定了，既然這項(xiàng)理論如此優(yōu)美，它必然是正確的。然而，正如偉大的美國(guó)物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）[3]所說：“你的理論正確與否，和它形式多漂亮無關(guān)，和你多聰明也無關(guān)。只要和實(shí)驗(yàn)不一致，它就是錯(cuò)的。”

在這本書里，我們將會(huì)講述廣義相對(duì)論如何通過了每一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。這張答卷完美得幾乎令人難以置信，但在廣義相對(duì)論出現(xiàn)之前，1687年牛頓發(fā)表的引力理論也曾經(jīng)交出過同樣完美的答卷。我們沒有理由認(rèn)定廣義相對(duì)論就是引力理論的最終形態(tài)。在目前的觀測(cè)中，存在著一些異常效應(yīng)，有些干脆和愛因斯坦的理論相悖，這說明我們已經(jīng)到了需要新理論的時(shí)候了。例如1998年發(fā)現(xiàn)的宇宙加速（而非減速）膨脹，就是一個(gè)令人撓頭的異常現(xiàn)象。一些人正努力尋找廣義相對(duì)論的替代理論，以解釋這種異常。因此，為了知道廣義相對(duì)論是否會(huì)被取代，或者會(huì)在什么情況下、以什么方式被取代，我們必須繼續(xù)檢驗(yàn)廣義相對(duì)論。特別是要在陌生的新競(jìng)技場(chǎng)里挑戰(zhàn)它，例如在黑洞附近或者以引力波的形式。

本書的兩位作者是從事理論研究的廣義相對(duì)論學(xué)家，但是我們兩個(gè)都花費(fèi)了職業(yè)生涯中的很大一部分精力，研究如何利用實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)來證實(shí)或證偽廣義相對(duì)論。的確，我們不親自做實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)；如果我倆太靠近儀器設(shè)備，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家同事們會(huì)提心吊膽。然而，我們花了很多的時(shí)間和他們討論、合作，掌握了他們所做的事，也明白了觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)如何檢驗(yàn)廣義相對(duì)論。在本書中，你將認(rèn)識(shí)一些絕頂聰明的人，他們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，建造儀器設(shè)備，分析得到的數(shù)據(jù)。其中有些人單打獨(dú)斗，團(tuán)隊(duì)很小；也有一些是大型團(tuán)隊(duì)的一員，合作者包括數(shù)千名科學(xué)家、工程師、技術(shù)人員。為了查明愛因斯坦是否仍然正確，他們是真正做實(shí)事的人。