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广义相对论的第三个主要应用，即引力波，恐怕不得不等到对世纪。爱因斯坦方程在引力理论中的地位，相当于麦克斯韦方程之于电磁学。现在我们都知道电荷的加速产生电磁波，类似地，广义相对论预言引力源的运动也产生波，即曲率的起伏在弹性时空结构中以光速传播。对引力波的更详细介绍见第18章。
检验广义相对论
在许多意义上，理论物理学家只是穿了工作服的哲学家。
——（ I，· BerylhaPll）（ 1949）
爱因斯坦提议用来检验广义相对论的三项观测是光线在太阳附近的偏折，水星轨道的异常和引力场中原子谱线的红移。
光线经过太阳附近时的偏折（如图16所示）是在1919年日食时观测到的，结果与爱因斯坦的计算值一致。
第二项检验涉及行星运动。按照牛顿天体力学，一个孤立行星是在一个固定的椭圆轨道上围绕太阳运转（椭圆的主轴不动）。由于其他行星的存在，这个运动受到干扰，椭圆轨道会缓慢地进动。1859年，法国天文学家勒维叶发现，水星的近日点（即其轨道上离太阳最近的点）进动得比牛顿理论预期的要快（图17）。对外层行星（主要是木星）弓l起的扰动的详细计算得出，水星进动速率应为每百年5514角秒，而实际进动是每百年5557角秒，多出43角秒（一个圆是360“，每一度是3600角秒）。这个异常显然很小（每经过三百万年水星轨道才会比理论值超前一圈），但是牛顿理论在它所运用的领域是如此精确，因而必须对这一现象作出解释。
最自然的设想似乎是还存在一个扰动物体，可能是一个围绕太阳的物质环，或者甚至是一个未知行星。类似的考虑已经使勒维叶成名，他在1846年通过对天王星轨道扰动的分析预言了另一个行星即海王星的存在，随后很快就被证实。勒维叶试图重显辉煌，说是在太阳与水星之间还有一个行星，并取名为火神星。他计算出火神星会很罕见地越过太阳盘面（只有这时才有希望由它投在日面上的阴影来探测它）。但在1877年，刚巧在他预言的火神星超过日面的时间之前，他去世了，因而不会知道自己的失败。那一天所有的望远镜都对着太阳，但是火神星固执地拒不出现。
以解释水星近日点进动为唯一目标，出现了许多稍加修改的牛顿式引力理论。当时已经知道，其他行星也有类似的近日点进动，如金星、地球和小行星伊卡鲁斯，但那些能解释一个行星行为的理论却不适用于别的行星。
后来，由于注意到显示近日点进动的是最靠近太阳的那些行星，天文学家开始寻找由太阳内部产生的扰动力。太阳显然不是精确球形的，这种变形原则上能引起近日点进动。然而实际上太阳还是太圆了，牛顿引力理论，无论经过修改与否，仍然被这一小撮古怪行星挫败。
1916年爱因斯坦广义相对论终于为行星近日点进动提供了一个目洽的统一的解释。进动并不是由一种来自太阳的神秘引力所引起，行星是在由太阳质量所弯曲的时空中自由运动。它们的轨道是测地线，而由太阳质量所弯曲的时空连续体的测地线并不是严格的椭圆或双曲线，轨线的轴会随时间而缓慢进动，理论计算的进动速率精确等于观测值（图18）。
爱因斯坦提出的第三项检验是关于光在引力场中的表观“慢化”。电磁辐射的频率减小，波长相应地增大，即所谓“红化”（红光在可见光谱中波长最长）。要以现有的实验精度来检验广义相对论，太阳上的这种效应就太微弱了，即使是密度比太阳大得多，能给光线施加更强束缚力的恒星（例如白矮星，见第5章），由于其光谱受磁场和星体内部物质不明运动的影响很大，因而很难把各种效应区分开来。
这第三项检验简单地就是引力场中时间弹性的另一种说法。狭义相对论已经证明，加速使钟变慢（双生子佯谬）。按照等效原理，就可以得出结论，引力也会使钟变慢：一楼的钟就会走得比二楼的钟慢。
直到爱因斯坦逝世以后，才能造出足够精确的钟来测量地球这样弱的引力场中的时间弹性。
1960年，哈佛大学的物理学家以千分之一的精度测出了沿垂向下落23米的伽玛射线的频率移动（伽玛射线是一种高能电磁辐射）。观测太阳附近光线的偏折必须等日食到来，检验水星近日点是否进动得太快需要一个世纪的观测资料积累，而现在有了可按设计重复进行的实验室测量。一个繁荣的实验引力时代开始了。
从1976年起，超稳定即精确度为一千万亿分之一的钟被放到了高空飞机上，那里的引力比地面上减弱的程度应当可以测量出来。这种飞行的电磁钟与在地面实验室里同样的钟作了比较。二者的速率确有差别，而且与广义相对论预言的结果完全一致。
空间探测器的出现使得测量太阳引力场更显著一些的时间弹性效应成为可能。用雷达发射器向位于太阳另一侧的一个空间探测器发出一个无线电讯号，讯号被探测器反射并返回地球，全程的时间在地球上记量，被太阳引力变曲的几何使得这个时间与讯号在平坦真空中传播的时间不同。这个实验是在1971年用水手号探测器进行的，它再次证实了时间延迟效应。
也许有人要问，为什么要做这么多很花钱的实验去证实一个看来已经很好的理论？回答是，所有这些广义相对论实验都只涉及太阳系的引力场，而这个场是处处都很弱的，也是定常态的（即不随时间变化）。这个繁荣的实验引力时代激发了理论家们的想象，许多引力理论被提出来与爱因斯坦理论竞争。那些理论大多含有一些附加参量，可以由发明者随意调节。这类理论中最著名的一个是由德国物理学家帕索·约丹（PascualJordan）和法国物理学家叶维·舍里（Yves Thir对提出，后来由美国物理学家卡尔·布兰斯（Carl Brans）和罗伯特·迪克（Robert Dick）所发展的（迪克本人对实验引力的发展有着卓越的贡献）。
由于附加参量的灵活性，那些理论可以被调节得能说明太阳系里观测到的所有效应。那么，怎么能确定究竟那一个理论是正确的呢？
只有通过分析所有这些理论对强的、动态的（即随时间迅速变化）引力场情况所作的预测，才得作出回答。然而在相当长的时期里，自然界并未给我们提供合适的检验场所，直到1974年双脉冲星的发现，情况才有大变。这两个靠得很近且相互绕转的中子星的轨道周期在变短，观测结果与爱因斯坦理论一致，而与所有其他参与竞争的理论都不相符。
理论的魅力
这个理论的魅力在于，一旦对它有了恰当的理解，就不可能不为之深深吸引。
——阿尔伯特·爱因斯坦
广义相对论无疑是人类有史以来最辉煌的智力业绩之一，而且是由一个人单独完成的。
1911年，在布拉格大学工作的爱因斯坦首次计算了光线在引力场中的偏折。他的结果本应在1914年日食时检验，但是第一次世界大战的爆发使这个计划搁浅。这对爱因斯坦来说倒是幸运的，因为他的理论在当时还不成熟，他的预测是错的。然而，他没有因挫折而丧气，他承认自己是一个科学上的“偏执狂”。英国物理学家泡尔·狄拉克（Paul Dirac）后来说道：“科学完全占据了爱因斯坦的思维。如果他给你一杯茶，当你在用匙搅动时，他就会在思考如何对杯中茶叶的运动作出科学解释。”
爱因斯坦于1915年11月完善了他的广义相对论方程，并陆续于11月4日、11日、18日和25日在《柏林报告》（BerlinerBench比）上发表，他的理论从此走上了灿烂的历程。最早的两本有关专著于1918年出版，一本是在伦敦，作者是阿瑟·爱丁顿（那时，德国科学在英国受到冷遇，英国图书馆不再接收德国期刊。爱丁顿读到的爱因斯坦论文，是他的一个德国朋友邮寄的，可能是英国仅有的一份）；另一本是在柏林，由赫曼·魏尔出ermann We 周写成。光线经过太阳附近时的偏折，是1919年5月29日日食时在巴西的索布拉尔观测到的，这应感谢弗兰克·戴森（Frank Dvson）和爱丁顿的热忱。对爱因斯坦预言的证实是皇家学会于1919年间月6日在伦敦举行的一次著名会议上宣布的。
那时，第一次世界大战刚刚结束。整个世界恶梦初醒、疲惫不堪，而又在寻求着新的理想。爱因斯坦理论以其关于弯曲空间的稀奇思想抓住了公众的想象，尽管一般人连其中的一个字都不懂。无数的科普文章出现在通俗的和专业的期刊上，人们都被迷住了，相对论成了时髦的话题。爱因斯坦成了世界上最负盛名的思想家，无论是什么方面的问题，都有人去问他的观点。美国以隆重的仪式欢迎了他，他成了公众的偶像
科学界的反应就复杂得多。有的人为爱因斯坦独行侠式的创造所倾倒，赞美之词超过以前之于牛顿。“思辨威力的一个最美妙的例证”，赫曼·魏尔这样宣称，并且又毫不犹豫地加上：“遮掩真理的墙已被推倒”。马克斯·玻恩（Max Born）则在1955年说是“人类智慧最伟大的成就”。值得强调的是，在物理学家中，对广义相对论最强烈支持的是那些能够理解它的人。
另一方面，那些拒不接受这个理论的人也是太过分了。很难不提一位物理学家波阿色（H·Bouasse）的令人惊讶的评论：“这种在我看来将是短命的赞誉，是由于爱因斯坦理论不属于物理理论的范畴，它是一种先验的、凌驾于一切之上的、不可理解的假设，给它的成功予以模棱两可的理由……最后，我们实验物理学家要说的是：我们只接受那些适合我们的理论，我们拒绝那些我们不能理解因而对我们无用的理论。”
广义相对论的另一个激烈反对者阿尔瓦·古尔斯胜（AllvarGullstrand），是瑞典的眼科学家和数学家，1911年诺贝尔生理学奖获得者，也是诺贝尔物理学奖委员会成员。这或许就是为什么1921年授予爱因斯坦诺贝尔奖是“特别由于他对支配光电效应的定律的发现”，而不是由于他的相对论。
法国物理学家约翰·爱森斯塔（Jean Eisenstaedt）评论道：“这种偏见就像正派的绅士们憎恨本世纪产生的立体派、非图形派和达达派绘画。那些纳土们庆贺自己不懂新艺术，而嘲笑表示赞扬的人是不懂装懂的假内行。”
这里，对科学和艺术创造二者的对照是恰当的。广义相对论常被比作一项优美的抽象艺术创作，然而一个理论的优美并不保证它的正确，注重实用的物理学家需要时间来确认它符合自己的原则。国际天文学联合会（它每三年举行一次全世界天文学家的大会）于1922年热情地设立了一个“相对论”委员会，它只开过一次会，然后就决定再继续活动是无益的。
时至今日，论争仍未结束。然而相对论是在发展壮大，尤其是在过去的近30年里，其起因则是来自奇特的遥远星球的闪烁信号首次进入了大型射电望远镜。第二篇：火中凤凰
星星是树上的金果，可望而不可及。
——乔治·艾略特（ Geofge Eliot）
引言
科学是以简单的无形来代替复杂的有形。
——约翰·成林（Jean Perrin）
几年前，一个天体物理学家在他的报告中这样宣称：“恒星是一种很简单的东西。”一个听讲者马上回敬：“你站到100光年之外，也会显得很简单！”
后者的话是正确而又深刻的。尽管我们只能观察太阳的“皮肤”，仍可看到许多奇异的现象：米粒、黑子、喷发和日饵，只是由于巨大的距离，其他恒星才缩为夜空的点点闪光。地球上能收到的只是恒星的辐射，这是它们内部庞杂活动的一点隐约的微弱的反响。由这点反响中分析出来的信息是令人惊叹的，然而最终还是需要有理论家来弄懂恒星整体的行为。“理论”总是意味着“简化”，即去掉那些非本质的东西，以抓住问题的核心。本书也将以这样的方式来进入丰富多彩的恒星世界。
按照这个简单化观点，一颗恒星可以用几个词来描述：一个巨大的热气体球。但是，这每一个词都有深刻含义，需要仔细琢磨。
“气体球”意味着一种平衡态。例如，我们知道太阳在过去的50亿年中没有什么实质变化，这似乎出人意料，因为我们在地球上已经熟悉自由气体总趋于弥散并充满周围空间。与此截然不同，恒星的气体并不弥散，而是保持在一个确定的体积之内。“巨大的”这个形容词提供了解开这第一个谜的关键：对于恒星这样大的质量，引力完全支配着物质的结构，恒星中的每个原子都被吸引朝向中心，而原子之间的相互吸引又保证了气体的粘结；类似地，只要恒星的自转不是太快，引力也决定了恒星的形状几乎是一个完美的球形。
可能又会有人觉得奇怪：既然恒星中的所有粒子都被吸引朝向中心，为什么恒星不因此而收缩呢？答案就在“热”这个词上：热，作为一种能量，是在一个发光恒星的中心产生的。这种能量朝恒星表面传递，并且能够支撑恒星的重量，到达表面的能量就作为辐射而脱离恒星。
在任何关于恒星的讨论中，有一个词会反复出现，即引力。它在恒星诞生时就存在，又是它导致恒星的死亡。恒星的一生就是对自身重量的持久、拚死的反抗。持久，是因为恒星在演化的每个阶段都能有新的能源来维持自己；拚死，是因为这个反抗注定是要失败的，或迟或早，引力终将获胜，恒星终将坍缩。
引力对恒星命运的这种绝对威力也在更大得多的尺度上重现，支配着宇宙中所有的大尺度结构。恒星、星团和星系都在引力收缩中诞生，也在引力收缩中死亡。
黑洞正是恒星的一种残骸。在我看来，它又是最精美的，因为它是引力收缩的极点，极端到几乎荒唐。所以，我把对黑洞的讨论推迟，而先对恒星的命运作一概述：它们如何诞生，如何发光，又如何死亡。第四章 从黎明到黄昏
恒星的诞生
像雨一样，恒星也是气体云中凝聚成的微滴。但是，如果把太空中的条件与地球上相比，就可以说恒星几乎是从虚无中产生出来的。我们所呼吸的空气，每立方厘米中有3000亿亿个原子，两星际云每立方厘米只有几十个原子。数百光年范围的星际云物质才够组成几千个太阳。星际云的化学成分也与空气不同，每16个红原子（常构成分子）对1个氦原子，另外还有微量的更复杂原子，如碳、氮和铁。
星际云不仅稀薄，而且很冷，最高为开氏100度（开氏度是相对于绝对零度来量度的温度，绝对零度是理论上的最低可能温度，等于摄氏一273度，开氏
100度因此就是摄氏零下173度）。这种气体云将无限期地保持稳定在这样一种状态上，即决定其平均温度的原子运动，与企图把原子拉到～起的引力相平衡，因此，只有在星际云受到抗动时，恒星微滴才能凝聚出来。
有几种机制能使星际云浓缩并己践恒星的诞生。在所谓旋涡星系里，恒星集中在由星系中心孩球伸出的巨大旋臂上，旋臂绕着核球缓慢转动。太阳座落在猎户座旋臂上，绕银河系中心转一周的时间是二亿年。由于这些旋转的臂运送着物质，它们就在星际介质中传播着一个密度超出，因而导致星际云的收缩并引发恒星形成。
另一个恒星形成模型是以这样一个美妙的主意为基础的，即一颗星的诞生或死亡会对大量新恒星的凝聚过程起催化作用。一颗恒星在星际云的中心诞生了，它的强烈辐射就会加热和压缩星际云的外部区域，造成一种凝聚的“传染”。一颗大恒星以超新星形式（见第6章）完成的激变式的死亡也有类似的效应：这颗星的碎片以每秒数万公里的速度推进，沿途冲撞，把星际云转变成许多新恒星。
星际云一旦开始浓缩，就变成不透明的。这时它停止吸收别的恒星的光，并冷却到几乎绝对零度。云中的原子运动慢到几乎要冻结，它们的相互引力压倒了内部热运动，而云中物质的分布总是不完全均匀的，总有一些小团块，其中的原子比周围多几个；也有一些空洞，那里少了几个原子。物质产生引力，每个团块周围的引力场就比较强。这种不平衡的引力就把周围那些很冷因而运动得很慢的原子拉过来，捕获的原子又使引力进一步增强，团块就这样变成了更紧密的球，其大小有数十亿公里，含有几个恒星的质量。
在这个阶段，一种关键的机制，即所谓金斯不稳定性，变得重要了：在弥散物质中，一个局部的密度峰在超过某一临界质量时会变得不稳定。这个峰于是与其余物质分离，并形成一个稳定的、由自身引力维持在一起的系统。这正是上面所说的球所发生的情况：它太冷了，不足以支撑自身的重量，于是它收缩，与星际云的其他部分脱离。在它收缩时，中心的气体被压紧，压强、温度和密度都增大。变热的气体开始辐射能量，原来黑暗的球现在发出了红光。
一颗“星”就这样诞生了，但它还不能称为恒星，因为它没能辐射足够的能量以支撑自己。这颗原恒星因而继续收缩，尽管是以慢得多的速率。只有当核心温度达�