爱因斯坦提出的广义相对论对时间空间如何运转提供了惊人的洞见,用一句精辟的话来表述广义相对论的精髓就是“物质和能量告诉时空如何弯曲,时空弯曲告诉物质如何运动。”但广义相对论的实际描述多达10个方程,每个方程都非常复杂,而且彼此高度相关。1915年11月,爱因斯坦提出了三个可能的检验广义相对论的方法——水星近日点的“异常”进动、引力场中的光弯曲和引力红移,但当时水星进动已经被观察到,所以不能算是预测。
引力场中的光弯曲(引力透镜)
广义相对论预测,由于大质量物体引起的时空扭曲,光通过一个大质量物体(如黑洞)时会发生弯曲,使其充当其背后物体的透镜。1919年爱丁顿爵士带领的一个探险队的日全食观测结果证实了爱因斯坦关于光受重力弯曲的预言,帮助爱因斯坦证明了相对论是正确的,爱因斯坦因此在国际上一举成名。从地球上看,经过太阳圆盘附近的光发生了微小的偏转,这就导致了它们相对于恒星的表观位置发生了变化。
爱丁顿的测量观察到的变化很小,一个更佳的演示需要比太阳大得多的质量才能产生更大的光偏转。事实上,如果一个足够大质量物体使光弯曲,就可以用它来创建大质量物体后面的物体的多重图像。观测这种“引力透镜”需要天体的偶然排列。事实上,这种排列确实存在,爱因斯坦十字星是天马座的一个类星体,是引力透镜的一个很好的例子。有5个点,但外层的4个点,实际上是位于较暗的中心点后面的一个非常明亮的星系的图像。
上图为哈勃太空望远镜看到的“爱因斯坦十字星”,外层的四个亮点是位于中心点后面的星系的多重图像。
引力红移
爱因斯坦在1907年根据等效原理预测了光的引力红移,即远离引力场观察时,强引力场中发射的电磁波波长变长,即红移,并预测这种效应可以用具有很高引力场的白矮星的光谱线来测量。1925年,科学家首次尝试测量天狼星-b光谱的引力红移,但由于来自主星天狼星的光污染,这个结果被认为不可用。1954年,波普尔第一次精确地测量了白矮星的引力红移。1959年,庞德-雷贝卡实验通过测量由穆斯堡尔效应产生的伽马射线光子的波长变化,首次从实验上证实了这一点。庞德-雷贝卡实验测量了位于哈佛大学杰斐逊大厦顶部和底部的两个光源的相对红移,结果与广义相对论非常吻合,这也是第一个验证广义相对论的精确实验。
引力波
引力波是1916年爱因斯坦根据他的广义相对论预测的,在广义相对论中,重力被看作是时空弯曲的一种现象,这种曲率是由质量引起的。一般来说,在一个给定的空间体积中所包含的质量越多,时空的曲率在其体积边界处就越大。当有质量的物体在时空中运动时,曲率会发生变化,以反映这些物体位置的变化。在某些情况下,加速物体会产生这种曲率的变化,这种变化会以光速以波的形式向外传播,这些传播现象被称为引力波。
值得注意的是,黑洞虽然是广义相对论的一个预测,但爱因斯坦一直将它作为一个数学错误,他本人是否认黑洞的存在的。