多虧了愛因斯坦的相對論，才有這樣的10大認知

　　一百多年前，於1919年5月29日，天文學家們進行了一次雄心勃勃的嘗試，通過愛因斯坦的相對論來觀測日全食。愛因斯坦認為空間和時間交織在一個無限的、就像張開的毯子一樣的「織物」狀中，諸如太陽之類的重物會通過引力彎曲這個時空毯，使光線在經過太陽時不再沿直線傳播。

　　這意味著在天空中靠近太陽的背景恆星的位置，包括在日食期間，看起來應該略有偏移，因為太陽的引力會使光線彎曲。但是在日食實驗之前，沒有人能夠檢驗愛因斯坦的廣義相對論，因為沒有人可以在白天看到太陽附近的恆星。

　　全世界慶祝這次月食觀察實驗的重大結果，它驗證了愛因斯坦的理論，這標誌我們對宇宙的認知的一個新時代的到來。

　　

　　星體圍繞超大質量黑洞運行

　　廣義相對論對我們在宇宙中所看到的事物，以及我們今天如何在深空進行探索發現等，具有許多重要的影響。對於愛因斯坦的狹義相對論，其廣受讚譽的方程式：E = mc^2，也是如此。多虧有了愛因斯坦的相對論，人類才有了以下10大重要的認知：

　　宇宙速度限制

　　愛因斯坦著名的方程E = mc^2中包含了「c」，即真空中的光速。儘管光有許多種，從人類可以看到的彩虹色到傳輸航天器數據的無線電波。愛因斯坦說，所有光都必須遵守每秒30萬公里的速度限制。即使兩個光粒子攜帶非常不同的能量，它們也將以相同的速度傳播。

　　在太空中進行的實驗證明了這一點。2009年，美國宇航局的費米伽馬射線太空望遠鏡幾乎在同一時刻檢測到兩個光子，一個光子的能量是另一個光子的一百萬倍。它們都來自一個大約在70億年前的高能區，是兩個中子星碰撞的地方。中子星是爆炸的恆星的高密度殘留物。儘管其它理論認為，時空本身具有「泡沫」樣的質地，可能會減慢更多高能粒子，但費米伽馬射線太空望遠鏡的觀察發現，愛因斯坦更站得住腳。

　　

　　費米伽馬射線太空望遠鏡觀察結果

　　2. 強引力透鏡

　　就像太陽使來自靠近它的遙遠恆星的光線彎曲一樣，像銀河系這樣的巨大物體也會使來自更遠物體的光線扭曲。在某些情況下，這種現象實際上可以幫助揭示新的星系。所以稱近距離的物體就像一個「鏡頭」，就像望遠鏡一樣，揭示了更遠的物體。整個星系團都可以被透鏡化，也可以充當透鏡。

　　當鏡頭物體看起來足夠靠近天空中的較遠物體時，實際上會看到該遙遠物體的多個圖像。1979年，科學家首次觀察到類星體的雙重圖像，類星體是位於銀河系中心的非常明亮的物體，其中涉及一個超大質量的黑洞，該黑洞以一盤流入的氣體為食。如果原始物體在變化，則遠處物體的這些明顯副本的亮度會發生變化，這是因為前面的引力會扭曲空間本身。

　　有時，當一個遙遠的天體與另一個天體精確對準時，會看到光線彎曲成「愛因斯坦環」或弧形。在來自美國國家航空航天局哈勃太空望遠鏡的這張圖片中，掠過的弧光代表一個遙遠的星系，該星系已被鏡頭化，與其他星系形成如「笑臉」般的圖像。

　　

　　被鏡頭化的星系與其它星系形成「笑臉」

　　3. 弱引力透鏡

　　當一個巨大的物體充當另一個物體的鏡頭，但是這些物體並未相對於我們的視線特別對齊時，只會投射一個遠處物體的圖像。這種情況經常發生。較近的物體的引力使背景物體看起來比實際的更大、更拉伸。這稱為「弱引力透鏡效應」，或簡稱弱透鏡。

　　弱引力鏡頭對於研究宇宙中一些最大的奧秘非常重要，如暗物質和暗能量。暗物質是一種不可見的物質，它僅通過引力與常規物質相互作用，並且像宇宙膠一樣將整個星系和星系組聚集在一起。暗能量的行為類似於引力的反作用，使物體彼此後退。即將投入使用的三個天文觀測站：NASA的廣域紅外測量望遠鏡、WFIRST任務、由Euclid太空任務以及地面大型天體測量望遠鏡，將成為這項研究工作的主要參與者。通過探查整個宇宙中弱透鏡星系的畸變，科學家可以描述這些使人持續困擾的現象的影響。引力透鏡還將使哈勃太空望遠鏡能夠尋找宇宙中一些最先出現的恆星和星系。

　　

　　引力透鏡測量得出的暗物質地圖

　　4. 微引力透鏡

　　上面所說的巨型星體就像其它巨型星體的放大透鏡一樣。但是，恆星也可以「使」其他恆星「透鏡化」，包括周圍有行星的恆星。當背景恆星發出的光線被前面的更靠近的恆星「包圍」時，背景恆星的亮度會增加。如果那顆前方的恆星也有一顆行星繞其運行，則望遠鏡可以檢測到由該行星運行引起的背景恆星光的額外顛簸。這種發現圍繞恆星周圍的系外行星的技術稱為「微引力透鏡」，或簡稱微透鏡。

　　NASA的Spitzer太空望遠鏡與地面觀測站合作，通過微透鏡發現了一顆「冰球」星球。到目前為止，雖然微透鏡發現的行星不到100個，但WFIRST可以使用這種技術找到1千多個新的系外行星。

　　

　　微引力透鏡

　　5. 黑洞

　　黑洞是非常密集的物體，沒有光可以從中逃逸，這是廣義相對論的預言。它代表了時空結構的最極端扭曲，並且以它的巨大引力如何以怪異的方式影響光而聞名，只有愛因斯坦的理論才能解釋。

　　2019年，Event Horizon Telescope國際合作推出了黑洞事件視界的第一張圖像，錢德拉X射線天文台、核光譜望遠鏡陣列（NuSTAR）、尼爾·蓋勒斯·斯威夫特天文台和費米伽馬射線太空望遠鏡等，都在共同努力觀察這個黑洞，研究人員仍在分析結果。

　　

　　史上第一張黑洞照片

　　6. 相對論性噴流

　　這張Spitzer影像顯示了紅外線中的銀河系Messier 87（M87），其中心有一個超大質量的黑洞。黑洞周圍有一盤極熱的氣體，以及兩股朝相反方向射出的噴流。

　　

　　處女座Galaxy M87

　　在圖像右側可見的其中一股噴流幾乎正好指向地球。其增強的亮度歸因於以接近光速的方向向觀察者傳播的粒子發出的光，這種效應稱為「相對論性光束」（relativistic beaming）。相比之下，另一股噴流是不可見的，因為它正在以接近光速的速度遠離觀察者。這種噴流具體是如何工作的仍然是個謎，科學家正在繼續研究以獲取更多認知。

　　7. 引力渦旋

　　黑洞的引力是如此之強，以至於它們使物質在其周圍「攪動」。就像用勺子攪拌蜂蜜一樣，黑洞周圍的空間就如用勺子攪拌的蜂蜜，黑洞的空間變形會對繞黑洞運轉的物質產生搖晃影響。直到最近，這還只是理論上的。但在2016年，歐洲航天局XMM-牛頓和美國航天局核光譜望遠鏡陣列（NUSTAR）的國際科學家團隊宣布，首次觀察到了這種搖擺的特徵。科學家將繼續研究黑洞的這些奇怪影響，以進一步直接探究愛因斯坦的想法。

　　

　　圍繞黑洞的這種物質擺動類似於愛因斯坦解釋水星奇數軌道的方式。作為離太陽最近的行星，水星受到太陽的引力作用最大，因此其軌道方向圍繞太陽緩慢旋轉，從而產生擺動。

　　8. 引力波

　　約100年前愛因斯坦提出了稱為引力波的時空波紋，但直到最近才實際觀察到。2016年，激光干涉儀引力波天文台（LIGO）探測器的國際合作宣布了一個具有里程碑意義的發現：這項巨大的實驗檢測到引力波的細微信號，該引力波在兩個黑洞合併的災難性事件后已經傳播了13億年。這為科學領域中的多信使天文學打開了一扇可以研究引力波和光的嶄新的大門。

　　

　　2017年，LIGO宣布檢測到該事件的引力波信號后，NASA望遠鏡合作測量來自兩個中子星合併的光。考慮到該事件的引力波僅在合併后的γ射線前1.7秒被檢測到，在兩次歷經1.4億光年，科學家得出結論，愛因斯坦在這些方面也是正確的：引力波和光波以相同的速度傳播。

　　9. 太陽延遲無線電信號

　　行星探索航天器也表明愛因斯坦的廣義相對論是正確的。航天器使用無線電波的形式通過光與地球通信，因此提供了巨大的機會來查看像太陽這樣的大物體的引力是否會改變光的路徑。

　　1970年，美國宇航局的噴氣推進實驗室宣布，在1969年完成火星飛越的水手六號和七號已經使用無線電信號進行了實驗，也印證了愛因斯坦的理論。水手六號和七號使用深空網路（DSN）進行了數百次無線電測量。研究人員測量了無線電信號從加利福尼亞州戈德斯通的DSN碟傳播到航天器並返回所需的時間。正如愛因斯坦所預料的那樣，由於太陽的引力，總往返時間有所延遲。對於水手六號，最大延遲為204微秒，雖然遠遠少於一秒，但幾乎與愛因斯坦的理論預期完全一致。

　　

　　1979年，維京號著陸器沿著這些路線進行了更為精確的實驗。然後，在2003年，科學家們利用NASA的卡西尼號太空船，以比維京號高50倍的精度重複了這類無線電科學實驗。結論是，愛因斯坦的理論一直是正確的！

　　10. 繞地球軌道運行的證明

　　2004年，美國宇航局發射了一種名為「引力探測器B」的航天器，該航天器專門用於在地球軌道上的活動以觀察愛因斯坦的理論。從理論上講，地球是一個旋轉的物體，除了旋轉引力會使光線扭曲之外，還應該在旋轉時拉動周圍的時空結構。

　　

　　該航天器有四個陀螺儀，並在地球繞兩極運行時指向IM Pegasi星。在這個實驗中，如果愛因斯坦是錯的，那麼這些陀螺儀將始終指向同一方向。但是在2011年，科學家宣布，由於地球的引力，陀螺儀的方向發生了微小變化，這是由於地球引力所引起的，它拖曳了周圍的時空。

　　

　　全球定位系統

　　說到時間延遲，手機或汽車上的GPS全球定位系統需要依靠愛因斯坦的理論來保證準確性。為了知道你的位置，你需要一個接收器，例如你的電話、地面站和繞地球軌道運行的衛星網路，以發送和接收信號。但是根據廣義相對論，由於地球的引力彎曲時空，衛星的時間移動速度比地球上的移動速度快。同時，狹義相對論會說，對於比其它物體移動快得多的物體，時間移動得更慢。

　　當科學家們計算出這些引力的凈作用時，發現衛星的時鐘永遠總是比地球上的時鐘稍快一點。雖然每一天的差異約為百萬分之一秒，但這種變化的確頗為重要。如果全球定位系統的技術沒有設置這樣的相對性，那麼你的手機定位系統有可能將把你的位置定到超出幾公里的距離！