前言

1915年，距今一个多世纪以前，阿尔伯特·爱因斯坦在11月里连续做了四场周三的报告，向普鲁士科学院介绍了他研究8年的引力理论。在座的德国科学家听众里，受触动、感到振奋的占少数，大多数人被搞糊涂了，还有一些公开表示反对。而在德国科学界以外，爱因斯坦的报告基本上没什么影响力。此时第一次世界大战进行正酣，除了瑞士、荷兰等少数几个中立国，德国基本上隔绝于世界其他国家。夜以继日的辛苦计算，再加上战时柏林定额的食物配给以及其他匮乏，让爱因斯坦身心俱疲。他回到了自己的办公室，继续埋头耕耘他那相对来说默默无闻的新理论。

但仅仅过了4年，在英国天文学家们宣布爱因斯坦关于光线近日引力偏折的预言正确之后[1]，国际头条就把爱因斯坦宣扬成了牛顿的接班人，一位预言了奇异的全新宇宙的先知。这个宇宙被可变的时间和弯曲的空间所支配，描述它的繁难数学在世界上也只有屈指可数的几个人能掌握。一夜之间，爱因斯坦成了一位科学巨星。他总体来说享受这种身份，但偶尔也感到厌弃。然而，他那名叫广义相对论的思维产物却迅速被缺少实用意义、匮乏实验支持以及太过深奥的名声给拖累得衰颓了[2]。很快，在物理学的体系中，广义相对论变成了比补丁强不了多少的存在。

然而到了2015年——广义相对论一百周年诞辰时，爱因斯坦的理论已经在物理学的圣殿中找到了自己名正言顺的位置。它的预言已经被验证了一遍又一遍，有时精确度简直匪夷所思。在大学的书架上，广义相对论的课本并列在量子力学、固体物理、天文学公认的经典旁边；开设广义相对论课程，也成了物理学院培养本科和研究生的常规举措。从高能物理、天文学到宇宙学，广义相对论已经被广泛应用在若干领域。像霍金这样的当代科学巨星，在油管网和《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）等电视剧里详细地讲解弯曲时空。就连汽车导航和寻找遗失的智能手机都要依赖广义相对论，因为在GPS这样的全球性定位系统里，必须要考虑时间的变动。

2015年9月14号，百岁广义相对论头上又加冕了一顶皇冠。在这一天，人们探测到了离地球100万光年外一对黑洞并合产生的引力波。爱因斯坦在1916年首次预言了这种波，在20世纪30年代又短暂地怀疑过它的真实性，认为永远不能在现实中探测到它。探测结果于2016年2月在新闻发布会上公布，证实了爱因斯坦是正确的，并成为和百年前同样轰动的世界级头条。更重要的是，它为天文研究开辟了一条新的道路：人们不仅能用眼睛观察宇宙，还能“聆听”宇宙。除此之外，它也打开了用黑洞、中子星和引力波来检验爱因斯坦理论的大门。

本书有关于爱因斯坦百余年前的发现——广义相对论，内容侧重于实验和观测。广义相对论是一项非常漂亮的理论。爱因斯坦依据优美、简洁、优雅的美学标准，得出了它的最终形式。到了最后，尽管爱因斯坦仍然赞许实验检验的作用，但在内心深处他其实已经认定了，既然这项理论如此优美，它必然是正确的。然而，正如伟大的美国物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）[3]所说：“你的理论正确与否，和它形式多漂亮无关，和你多聪明也无关。只要和实验不一致，它就是错的。”

在这本书里，我们将会讲述广义相对论如何通过了每一项实验的检验。这张答卷完美得几乎令人难以置信，但在广义相对论出现之前，1687年牛顿发表的引力理论也曾经交出过同样完美的答卷。我们没有理由认定广义相对论就是引力理论的最终形态。在目前的观测中，存在着一些异常效应，有些干脆和爱因斯坦的理论相悖，这说明我们已经到了需要新理论的时候了。例如1998年发现的宇宙加速（而非减速）膨胀，就是一个令人挠头的异常现象。一些人正努力寻找广义相对论的替代理论，以解释这种异常。因此，为了知道广义相对论是否会被取代，或者会在什么情况下、以什么方式被取代，我们必须继续检验广义相对论。特别是要在陌生的新竞技场里挑战它，例如在黑洞附近或者以引力波的形式。

本书的两位作者是从事理论研究的广义相对论学家，但是我们两个都花费了职业生涯中的很大一部分精力，研究如何利用实验和观测来证实或证伪广义相对论。的确，我们不亲自做实验和观测；如果我俩太靠近仪器设备，实验物理学家同事们会提心吊胆。然而，我们花了很多的时间和他们讨论、合作，掌握了他们所做的事，也明白了观测和实验如何检验广义相对论。在本书中，你将认识一些绝顶聪明的人，他们设计实验，建造仪器设备，分析得到的数据。其中有些人单打独斗，团队很小；也有一些是大型团队的一员，合作者包括数千名科学家、工程师、技术人员。为了查明爱因斯坦是否仍然正确，他们是真正做实事的人。