小數(shù)據(jù)助力愛因斯坦預言光彎曲
1911年6月，愛因斯坦在德國的《物理年鑒》上發(fā)表了《關于引力對光傳播的影響》。在該論文中，他根據(jù)等效原理預言，光線經(jīng)過太陽邊緣要偏轉(zhuǎn)0.83″。4年后的1915年，他又在《普魯士學院會議報告》上發(fā)表了另一篇有關廣義相對論的論文，用完整的廣義相對論修正為1.75″。
愛因斯坦的手稿。2019年3月14日是愛因斯坦誕辰140周年。以色列希伯萊大學為此首次展出了他的110份手稿，其中大部分從未展出過。
接下來的故事科學界所共知。1919年，英國派出了兩個遠征隊，去觀測當年5月29日發(fā)生的日全食。一隊由英國皇家學會派出，英國天文學家愛丁頓率領，到西非幾內(nèi)亞灣普林西比島觀測。另一隊由英國天文學會派出，克魯梅林帶隊，到巴西索布臘爾鎮(zhèn)觀測。兩隊各自的觀測結(jié)果，在同年11月6日同時公布：光線經(jīng)過位于金牛座的太陽附近時，偏轉(zhuǎn)角分別為1.61″±0.30″和1.98″±0.12″——與愛因斯坦的預言非常接近，這一驗證在全世界引起極大的轟動。
還有更精密的驗證。1922年9月21日，美國利克天文臺臺長威廉·華萊士·坎貝爾和美國天文學家羅伯特·朱利葉斯·特魯普勒，通過對當天日全食的觀測，得到的偏轉(zhuǎn)角為1.72″——更接近1.75″。
光線要彎曲的驗證還有很多。例如，雷達回波的延遲——在1964～1968年間，以美國物理學家夏皮羅為首的研究小組，先后對水星、金星與火星進行雷達實驗，驗證了電波經(jīng)過太陽附近時也會彎曲，使電波傳播時間延長，而且觀測結(jié)果與愛因斯坦的理論預言一致。后來，還有人用人造天體作為反射靶，并改善了實驗精度，結(jié)果與預言的理論值相差僅約1%。
由于光線在大質(zhì)量天體附近彎曲，使得觀察者可以看見在空間中被大質(zhì)量天體所遮擋的光源。如果從觀測者到光源的視線上有一個大質(zhì)量的前景天體，則會在光源的兩側(cè)形成兩個像，就像有一面透鏡放在觀測者和天體之間一樣，這種現(xiàn)象稱為“引力透鏡效應”。愛因斯坦的這一預言，也在一個世紀后的2017年被驗證。當年6月7日，美國太空望遠鏡科學研究所的天文學家凱拉什·薩胡領銜的一個國際科研小組在美國《科學》雜志上說，借助哈勃太空望遠鏡，他們直接觀測到一顆白矮星的引力扭曲了其身后一顆星球的光線。
愛因斯坦在1936年發(fā)表的一篇研究論文中還預測，利用發(fā)生“引力透鏡效應”時觀測到的偏移距離，可以直接計算出前方星球的質(zhì)量，這被稱作“天體測量透鏡”。在2013～2015年間，凱拉什·薩胡領銜的團隊8次把哈勃望遠鏡對準一顆快速移動的白矮星Stein2051B，研究觀測的結(jié)果表明，在距離地球大約18光年的這顆白矮星的引力作用下，其身后的星球的觀測位置與實際位置相距大約（2×10-3）″，據(jù)此計算出該白矮星的質(zhì)量為太陽的68%。
水星“反常”非反常
根據(jù)1847年天文觀測和計算的結(jié)果，水星軌道近日點的進動是每100年轉(zhuǎn)過5600.73″。用牛頓力學考慮各種因素之后，只有其中的5557.62″能夠解釋——90%為坐標系的歲差引起，其余部分由行星（特別是金星、地球和木星）的攝動引起，還有43.11″（稱為“剩余進動”——以下取常用的近似值43″）卻無法解釋。1°是1個圓周角的1/360，1°的1/3600是1″，可見43″多么小。
1859年，法國天文學家勒威耶測算的“剩余進動”是38″。他根據(jù)自己在1846年發(fā)現(xiàn)海王星的“經(jīng)驗”，認為這38″可能是未知的“水內(nèi)行星”的引力所致。由于一直未發(fā)現(xiàn)“水內(nèi)行星”，所以他的這一猜測并不成立。
1882年，出生在加拿大的美國天文學家紐康重新測算后，得出正確的“剩余進動”是43″——勒威耶的38″有誤。紐康認為，有可能是水星發(fā)出的黃道光的彌漫物質(zhì)使其運動受到阻力。但這又不能解釋為什么其他幾顆行星也有類似的多余進動；于是，他就懷疑引力是否服從“平方反比”——萬有引力定律再次面臨嚴峻的考驗。后來，曾陸續(xù)提出一些理論來解釋這相差的43″，但都沒能成功。于是，這43″被稱為“水星近日點的‘反常’進動”，成為天文學家們的“43″之謎”。
到了20世紀，愛因斯坦出場了。他在1916年計算出了水星的“剩余進動”是每100年43″。這不但和上述43″一致，而且與1975年的實際觀測數(shù)據(jù)每100年（41.4±0.9）″基本相符。
就這樣，憑借“小數(shù)據(jù)”43″，愛因斯坦破解了“43″之謎”——水星的“反?！狈欠闯?。不但如此，后來測到的金星、地球和小行星伊卡魯斯的多余進動，也都與理論計算基本相符。
“山水一程又一程”之后的引力波
1916年3月20日，愛因斯坦的論文《廣義相對論的基礎》以單行本的形式在《物理年鑒》上正式發(fā)表，其中提出了引力波的概念，并預言存在引力波。
然而，引力波太難探測到了。這是為什么呢？
太難探測的第一個主要原因是引力波極其微弱。例如，地球繞太陽以大約30千米/秒的平均速度運行，發(fā)出的引力波功率僅約200瓦（小于一般家用電飯煲的功率）。引力波功率微弱，就導致振幅微小——小到探測精度要達到10-21米，即要能夠在1000米的距離上感知10-18米的變化！第二個主要原因是，物質(zhì)對它的吸收效率極低，這就難以被探測儀器感知。
1974年，美國天體物理學家約瑟夫·霍頓·泰勒與他的學生拉塞爾·阿蘭·赫爾斯間接證明了引力波的存在，他倆也因此共享1993年諾貝爾物理學獎。
愛因斯坦提出引力波整整一個世紀之后，心無旁騖的科學界終于直接抓到了“無影人”。2016年2月11日當?shù)貢r間10時30分，在華盛頓特區(qū)國家媒體中心，由“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）的發(fā)言人——美國路易斯安那州立大學巴吞魯日分校的女物理學家加布里埃拉·岡薩雷斯宣布：德國漢諾威馬普學會引力物理研究所的LIGO在2015年9月14日17時50分45秒（北京時間），首次直接探測到引力波信號！這個信號，由來自13億光年之遙的兩個質(zhì)量分別為36M⊙（“M⊙”是“太陽質(zhì)量”，1M⊙=1個太陽的總質(zhì)量≈1.989×1030千克）和29M⊙的黑洞合并末期發(fā)出。同年12月26日，LIGO又再次直接探測到另一個引力波信號……
左起：韋斯、索恩、巴里什
直接探測到引力波，完成了廣義相對論的“最后一塊拼圖”，治好了科學家們在廣義相對論中的“最后心病”。此外，“霍金四大定理”之一的黑洞面積不減定理——在不考慮量子力學的情況下，合并后的黑洞面積只增不減，也被驗證。
又是一個“秋收的季節(jié)”——這次是在相對論領域和天體物理學領域，主角是“無影英雄”引力波。
為創(chuàng)建LIGO和直接發(fā)現(xiàn)引力波做出重大貢獻的3位美國科學家，分享了2017年諾貝爾物理學獎：獲一半獎金的雷納·韋斯、獲1/4獎金的基普·斯蒂芬·索恩與獲1/4獎金的巴里·克拉克·巴里什。
