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（Pascual
Jordan）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。
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黑洞
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。
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黑洞
