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4 长史（第2页）

1915年爱因斯坦发表广义相对论时，第一次世界大战已全面爆发，当时，很少有英国科学家会对一个德国科学家的想法感兴趣。不过爱丁顿爵士不一样，他是贵格会成员、坚定的和平主义者。后来他还因为拒绝参军险些被逮捕，幸亏皇家天文学家弗兰克·沃森·戴森找了个借口，说爱丁顿要为验证爱因斯坦的理论寻找资助，才把他从军事法庭上带走，让他免于牢狱之灾。

1919年5月29日，南半球将发生日全食，爱丁顿组织了一支队伍，前往几内亚湾的圣多美岛进行考察。他的目标是在食甚时用望远镜为一个星团拍照。如果真如爱因斯坦所说，太阳的巨大质量会使时空扭曲，那这个星团的光从太阳附近经过时就会被微微弯折，从而改变视位置。简言之，日食期间，星星出现的位置会和平时不一样。

爱丁顿要克服无数的困难，包括一整天的坏天气。这差点儿让他拍不成照，但突然之间，乌云散去，他才得以拍下几张片子带回剑桥。经过好几个月的分析，最终他确认：在其中一张片子中，星团的视位置有明显的移动，这与爱因斯坦的预测相吻合。广义相对论预言的在大天体附近空间会收缩，而时间会拉长这一奇怪的理论是正确的。

-12是御夫座的一颗矮星，在它附近有一颗类似木星的气态行星，其轨道半径较小，这颗行星离母恒星如此之近，以至公转一周只需要一天多的时间。二者之间的引力很强，潮汐力让气态巨行星变形，两极被压扁，成了鹅蛋形。哈勃空间望远镜发现，-12正在夺取这颗行星的物质，就是将它撕裂并最终将它吞噬。像这种恒星吞噬其行星的现象实属罕见，而星系吞噬其他星系、恒星吞噬附近其他恒星的例子则不胜枚举。

将望远镜指向-12，我们就能目睹一场太空罪行，但因为它们离我们约有1400光年之遥，所以这其实发生在十几个世纪以前，当时，穆罕默德正开始宣扬新一神教。苍穹每天都像这样在向我们诉说着发生在遥远过去的奇妙之事或恐怖之灾。

以爱丁顿为先锋，天体物理学在近一百年内取得了令人瞩目的进步。我们的“可见宇宙”，也就是用大型望远镜能够观测到的宇宙，巨大到难以想象。里面有上千亿星系，中间却隔着巨大的虚空，每个星系又包含几千亿由气体和尘埃聚合而成的类似太阳的恒星，以及无数更小的天体。

但可见宇宙只是宇宙几乎可忽略的一小部分，此外还有黑洞和中子星等不发光天体，还有星系间的巨大气体带和各种形式的辐射。最重要的是还有暗物质和暗能量，它们才是宇宙最主要的组成部分，远超过其他。

当数字变得很大时，我们就很容易对其失去切实的感受。这时就可以借助大头钉：找一颗用来固定衬衫的大头钉，捏住底端将其举向天空，被圆头遮住的那一点很小很小，然而却包含着几千个星系，每个星系又由上千亿颗恒星组成。当我们用现代大型望远镜去观测看似空无一物的宇宙区域时，用不了一会儿，就会发现到处都隐藏着万千个世界。

太阳与太阳系行星之间的距离相对于我们在地球上的常规移动来说是巨大的，但与恒星间的距离相比就会显得很小。太阳距地球1。5亿千米，距离和我们最近的比邻星却有4。2光年，而1光年约等于95，000亿千米。

要想对星系的大小有一个基本概念，可以想象一下：要想到达银河系中心，我们需要走过约26，000光年的距离，如果想要访问离我们最近的仙女座星系，则需要走上254万光年。然而，就算这样，也依然没有走出我们星系群在宇宙中所占的这一小片地方。

当距离变得如此之大时，“现在”和“同时”就失去了意义，我们也就能更好地理解何谓“时间是局部的”。那么，遥远的世界中“此时”发生着什么？这么问没有任何意义，这完全是一个糟糕的问题。我们的共同时间，和遥远的世界根本不共享。在我们的世界中，时间是保证生存的极好工具，但一旦要探索小小地球之外的世界是如何运转的，我们的时间概念就会将我们引入歧途。

我们的当下不可能是遥远某处的当下，这会让人很困惑。我们已经习惯于生活在很有限的空间中，以至都不会想到通信可能做不到处处即时。如果给住在纽约的朋友打电话，我们完全可以顺畅交流，诉说最近发生的事，因为我们拥有“同一个现在”。信息在我们之间传递起来只需要几分之一秒，这么小的延迟很容易被忽略。但如果距离大到连光都要几千年才能走完，那“同一个现在”就完全不存在了。

美妙的幻象和神奇的组合

当我们观察很遥远的物体时，今天所见之现象其实发生在遥远的过去，所有的天文观测都变成回到过去的旅行。如果距离相对较小，我们倾向于忽略延迟，并假装还可以将我们的时间和周围的空间共享。比如，太阳光要用8分多钟才能到达地球，但这个差别足够小，我们可以忽略不计。从太阳表面发出光子到我们的视网膜接收到光子的这8分钟内，没有人怀疑我们亲爱的太阳会发生什么严重的事情。但如果时间间隔变得相当长，那一切就都变了。

今天，当我们用望远镜记录下仙女座星系美丽的景象时，我们知道这些光走过了很长很长的路才到达这里。它们离开银河系的姐妹星系时，在非洲之角的某个地方，正在发生我们智人属的人类和非洲南方古猿的第一次分化。也许是巧合吧，这些光子出发时，一群奇怪的猴子也迈出了漫漫长路的第一步。进化会让它们发展出意识，制造出越来越精细的工具，直至发明出能感光的设备，在那些光子到达地球时将它们捕获。在漫长的时间里，这个新物种出现并发展，同时那些光子也走过了两个星系之间的浩瀚虚空。

我们头顶上星辰闪烁的明净夜空，启发了一代又一代诗人，然而“天似穹庐”只是一个美妙的想象。古人将繁星排列成星座，关于它们的传说至今仍流传着，但“星座”也是一种假象。夜空中最亮的天狼星其实是一个双恒星系统，在距离太阳8。6光年的地方互相围绕旋转。天鹅座的主星天津四闪耀在离我们2600光年的地方，而看起来是一颗星的北极星，其实是由三颗恒星组成的系统，其中我们能看见的最亮的黄超巨星北极星Aa，距离我们有325光年。

距离如此不等的天体在过去的不同时刻发出了光，在今天的同一时刻被我们看到。黑夜中，我们将相距几千年的事件人为地叠加到一起。星空如此美妙，其背后的现实却比看上去要复杂得多。

正如太阳看上去绕着地球转而实际上并非如此一样，我们看见的东西可能是一个精巧的假象。有时，我们会看见并不存在的东西，而往往也看不见真正存在的东西。

时空在宇宙尺度上制造的幻象很多，其中一些甚至让天文学家也感到惊讶。当他们给非常遥远的天体拍照时，就发现过海市蜃楼般的景象。光源分身出四个，形成了十字架一样的形状。这种现象也是广义相对论作用的结果，即当质量巨大的物体处于光源和观察者之间时，时空的扭曲会弯折光线的路径，光源的视位置就会分散到四周，形成所谓的“爱因斯坦十字”。这也是一种视觉幻象，遥远天区的图像出现重影，出现一模一样的恒星和星系。不过它也是宝贵的信息来源——天文学家利用这些图像挖掘相关天体的质量及其分布数据。

当三个太阳的能量乘着时空的波澜前行

印证了广义相对论的诸多天文观测告诉我们，时空不是一个抽象的概念，不是对宇宙结构的简单描述。相反，这个极其精巧的框架是实实在在的，它会振动、会摇摆、会上下波动，并将一切形式的扰动传播出去，正如池塘泛起涟漪的水面。

质能将时空扭曲，由此产生了引力，这应该已经让我们窥视到一点儿时空的真正性质。时空不是一个装着自然现象的、没有反应的容器，而是整体的基本组成部分，它参与天体的运动，被天体影响，再反过来决定天体的轨迹及局部时间的流逝速度。质量和能量并不是在空旷的、没有反应的空间中经历时间。相反，分布在各处的物质运动着，与时空交织在一起，形成各种情况：有时是周期性质的、有规律的，但也经常被灾难打破。这是一个动态变化的整体，其中进行着巨大的能量交换。

广义相对论方程解起来比较复杂，因为时空既是方程的一部分，也是解的一部分，简言之，就是时空性质在方程中，而其曲度是方程的解。如果考虑到引力弯曲中包含着能量，而这能量又会引起其他的弯曲，也许就比较好理解一些。解这个方程，对于方程的发现者爱因斯坦来说也是一项严峻的考验，不过如果时空曲率相对较小，他还是能找出一个近似解的。惊艳的是，他得出的方程与电磁方程十分相似，这个解中包含的引力波就像电磁波一样以光速传播。

如果时空振动，扭曲传播开来，就能远距离传播能量。引力能也能被释放和吸收，正如电荷在振动的电磁场中被加速和移动时辐射的能量一样。

不过爱因斯坦自己也相当怀疑这个解是否描述了一个真实存在的物理现象。他的怀疑很有道理。首先，因为引力相对电磁力很弱，其强度可以忽略不计。产生电磁波是很容易的，只要加速质量很小的电子，它们很快就能向四面八方发射光子。但要产生显著的时空弯曲却需要巨大的质量，如果还要产生像波一样传播的扰动，就要对这巨大的质量做大到可怕的加速。然而，恒星和行星经受不住如此巨大的外力，很容易就能证明它们在巨大外力下会立刻解体。所以，有些人认为我们永远观测不到引力波，也是有道理的。

在20世纪的前几十年里，没人能够想到，存在着质量和密度比普通恒星大得多的天体，它们是如此紧密，以至能够经受住产生引力波所需的可怕加速。黑洞就是密度极高的天体，能在直径几十千米的体积内容纳很多个太阳的质量。正是这些超重又超致密、被强大引力约束住的物体产生的现象，让我们第一次发现了引力波。

当可怕的灾难毁灭了一整个遥远的星系，而我们成功记录到回响时，才有力地证明了时空可以远距离传输能量。

这一切发生在两个黑洞之间，每个黑洞都有30个太阳那么重，它们相互作用，产生了一连串精彩的事件。当两个天体相互吸引时，它们开始围绕共同的引力中心疯狂旋转，最终以接近光速的速度冲向彼此，融为一体，形成质量约为60个太阳质量的黑洞。它们在几分之一秒内以引力波的形式释放了相当于3个太阳质量的巨大能量。这两个极端致密的天体成功地扭曲了时空，以至产生引力波，这些引力波传向整个宇宙，在走过14亿光年的距离后，终于到达了我们的地球。就像一个娴熟的冲浪者，相当于3个太阳质量的能量乘着时空之波，平稳地走了14亿光年。

尽管时空难以相信地坚实，但依然有一些自然现象强大到能使之像一张普通的弹性网一样发生变形和振动。两个黑洞碰撞产生的冲击激起了时空的波澜，让时空振动，就像在池塘中以一石激起千层浪。

首次发现引力波之后，随着更多设备开始投入使用以及技术的不断改进，我们又记录到了一系列新的事件，收集到了其他双黑洞或中子星发出的引力波信号。中子星是另一种致密天体，但质量和密度远没有黑洞那么大。

引力天文学带来了观测宇宙、理解宇宙的全新视角。以引力波形式释放的能量为我们提供了关于黑洞存在及性质的宝贵信息。我们以前都不敢肯定这些隐秘之客的存在，现在却能仔细研究，搞清楚它们在宇宙运动中的作用，更好地理解它们不为人知的一面。

（1）。?“母猪”的意大利文是“scrofa”，“斯克罗威尼”的意大利文是“Si”。——译注