黑洞

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產生波，即曲率的起伏在彈性時空結構中以光速傳播。對引力波的更詳細介紹見第18章。

檢驗廣義相對論

在許多意義上，理論物理學家只是穿了工作服的哲學家。

——（　I，·　BerylhaPll）（　1949）

愛因斯坦提議用來檢驗廣義相對論的三項觀測是光線在太陽附近的偏折，水星軌道的異常和引力場中原子譜線的紅移。

光線經過太陽附近時的偏折（如圖16所示）是在1919年日食時觀測到的，結果與愛因斯坦的計算值一致。

第二項檢驗涉及行星運動。按照牛頓天體力學，一個孤立行星是在一個固定的橢圓軌道上圍繞太陽運轉（橢圓的主軸不動）。由於其他行星的存在，這個運動受到干擾，橢圓軌道會緩慢地進動。1859年，法國天文學家勒維葉發現，水星的近日點（即其軌道上離太陽最近的點）進動得比牛頓理論預期的要快（圖17）。對外層行星（主要是木星）弓l起的擾動的詳細計算得出，水星進動速率應為每百年5514角秒，而實際進動是每百年5557角秒，多出43角秒（一個圓是360“，每一度是3600角秒）。這個異常顯然很小（每經過三百萬年水星軌道才會比理論值超前一圈），但是牛頓理論在它所運用的領域是如此精確，因而必須對這一現象作出解釋。

最自然的設想似乎是還存在一個擾動物體，可能是一個圍繞太陽的物質環，或者甚至是一個未知行星。類似的考慮已經使勒維葉成名，他在1846年透過對天王星軌道擾動的分析預言了另一個行星即海王星的存在，隨後很快就被證實。勒維葉試圖重顯輝煌，說是在太陽與水星之間還有一個行星，並取名為火神星。他計算出火神星會很罕見地越過太陽盤面（只有這時才有希望由它投在日面上的陰影來探測它）。但在1877年，剛巧在他預言的火神星超過日面的時間之前，他去世了，因而不會知道自己的失敗。那一天所有的望遠鏡都對著太陽，但是火神星固執地拒不出現。

以解釋水星近日點進動為唯一目標，出現了許多稍加修改的牛頓式引力理論。當時已經知道，其他行星也有類似的近日點進動，如金星、地球和小行星伊卡魯斯，但那些能解釋一個行星行為的理論卻不適用於別的行星。

後來，由於注意到顯示近日點進動的是最靠近太陽的那些行星，天文學家開始尋找由太陽內部產生的擾動力。太陽顯然不是精確球形的，這種變形原則上能引起近日點進動。然而實際上太陽還是太圓了，牛頓引力理論，無論經過修改與否，仍然被這一小撮古怪行星挫敗。

1916年愛因斯坦廣義相對論終於為行星近日點進動提供了一個目洽的統一的解釋。進動並不是由一種來自太陽的神秘引力所引起，行星是在由太陽質量所彎曲的時空中自由運動。它們的軌道是測地線，而由太陽質量所彎曲的時空連續體的測地線並不是嚴格的橢圓或雙曲線，軌線的軸會隨時間而緩慢進動，理論計算的進動速率精確等於觀測值（圖18）。

愛因斯坦提出的第三項檢驗是關於光在引力場中的表觀“慢化”。電磁輻射的頻率減小，波長相應地增大，即所謂“紅化”（紅光在可見光譜中波長最長）。要以現有的實驗精度來檢驗廣義相對論，太陽上的這種效應就太微弱了，即使是密度比太陽大得多，能給光線施加更強束縛力的恆星（例如白矮星，見第5章），由於其光譜受磁場和星體內部物質不明運動的影響很大，因而很難把各種效應區分開來。

這第三項檢驗簡單地就是引力場中時間彈性的另一種說法。狹義相對論已經證明，加速使鍾變慢（雙生子佯謬）。按照等效原理，就可以得出結論，引力也會使鍾變慢：一樓的鐘就會走得比二樓的鐘慢。

直到愛因斯坦逝世以後，才能造出足夠精確的鐘來測量地球這樣弱的引力場中的時間彈性。

1960年，哈佛大學的物理學家以千分之一的精度測出了沿垂向下落23米的伽瑪射線的頻率移動（伽瑪射線是一種高能電磁輻射）。觀測太陽附近光線的偏折必須等日食到來，檢驗水星近日點是否進動得太快需要一個世紀的觀測資料積累，而現在有了可按設計重複進行的實驗室測量。一個繁榮的實驗引力時代開始了。

從1976年起，超穩定即精確度為一千萬億分之一的鐘被放到了高空飛機上，那裡的引力比地面上減弱的程度應當可以測量出來。這種飛行的電磁鍾與在地面實驗室裡同樣的鐘作了比較。二者的速率確有差別，而且與廣義相對論預言的結果完