1916年后，天文學家和數(shù)學家加入了為愛因斯坦的質(zhì)量－能量轉(zhuǎn)換方程解法的探索中。英國數(shù)學家愛德華·亞瑟·米爾恩試圖找到簡化方程式的方法。另外一個俄國物理學家亞歷山大·弗里德曼也投入類似的研究中。他發(fā)現(xiàn)可能存在一個隨著時間增長而不斷膨脹的宇宙。愛因斯坦并不喜歡這個想法，并嘗試說服弗里德曼他用于求解的數(shù)學方法可能錯了，但弗里德曼依然堅持己見。不久以后，天主教牧師、天文學家、比利時頂級橋牌大師喬治斯·勒梅特赫也得出與弗里德里曼一樣的結(jié)論。他考慮到宇宙如果正處于膨脹中，它過去的形態(tài)肯定比現(xiàn)在小，而且必定有一個宇宙產(chǎn)生的時間點，即當宇宙的半徑為零時。他將宇宙的初始狀態(tài)稱為“奇點”。弗里德曼和勒梅特赫的工作為數(shù)學家霍華德·羅伯遜和亞瑟·沃克更正式的數(shù)學解法奠定了基礎(chǔ)。他們將其方法概括在一個稱為FLRW度規(guī)的模型中，這是均勻勻質(zhì)宇宙中最普遍存在的形態(tài)。他們運用了宇宙學原理——即我們的地球、太陽系以及銀河系在宇宙中并無特殊之處。這一原理起源于16世紀一個波蘭教士尼古拉斯·哥白尼的著作中第一次質(zhì)疑地球并非太陽系的中心。哥白尼理論的擴展——我們在宇宙中并不處于特殊的時間和空間——成為確定哪種宇宙模型才是合乎道理的一條有力的原理。

不久以后，其他宇宙的理論模型也紛紛提出。比如，普林斯頓高級研究所數(shù)理邏輯教授庫爾特·哥德爾提出一個出色的模型，認為如果宇宙是均勻靜態(tài)的并且處于旋轉(zhuǎn)當中，則愛因斯坦的質(zhì)量－能量轉(zhuǎn)換方程便能獲得解答——他的觀點獲得愛因斯坦本人的贊許。哥德爾模型揭示了一種異乎尋常的結(jié)果：它顯示了時間旅行的可能性！物理學家不喜歡這樣的想法，因為這聽起來就像是科幻小說，并且違背了人們所珍愛的因果關(guān)系準則——即一件事必然發(fā)生是因為有某些相關(guān)聯(lián)的其他事使之發(fā)生。劍橋大學數(shù)學家、天體物理學家史蒂芬·霍金提出“時序保護猜想”，排除了所有可能存在時間旅行的宇宙，認為物理規(guī)律不允許出現(xiàn)逆時運動或閉合類時曲線。

除此之外，依然存在其他基于靜態(tài)宇宙的解決方法的可能。1948年，一群劍橋出身的天文學家提出所謂的“穩(wěn)定狀態(tài)模型”。這一模型中的宇宙依然是靜態(tài)而均勻的，但是會不斷加入新的物質(zhì)。這種假說有助于避免推導出宇宙誕生時必須壓縮于一個非常緊密時空中的結(jié)論。這一宇宙模型的創(chuàng)始人之一弗雷德·霍伊爾并不是特別喜歡弗里德曼、勒梅特赫和其他人的宇宙模型，開玩笑地把他們的模型稱為“宇宙大爆炸”模型，后來這一名稱沿用至今。

那么，宇宙是否真的處于膨脹中呢？馬薩諸塞州羅尼爾天文臺的韋斯托·斯里弗爾利用多普勒效應(yīng)望遠鏡發(fā)現(xiàn)了許多螺旋形的銀河系正在離我們遠去。愛丁頓已揭示了德西特宇宙模型的特征，即如果其中包含物質(zhì)，則意味著這些物質(zhì)將會膨脹。在20世紀20年代末30年代初，埃德溫·哈勃利用加利福尼亞威爾遜山天文臺的天文望遠鏡觀測宇宙中的星系，觀測到越遠的星系比近的顯得更紅，這一結(jié)果表明宇宙確實處于膨脹之中。哈勃闡述道，如果一個星系比另外一個星系離地球遠兩倍，其離地球而去的速度也將是另外一個的兩倍，這一發(fā)現(xiàn)后來被稱為“哈勃定律”。多年以后，大爆炸理論的支持者們聲稱哈勃的發(fā)現(xiàn)支持了爆炸論的合理性，但宇宙穩(wěn)定狀態(tài)論的支持者則質(zhì)疑哈勃的數(shù)據(jù)將導致一個問題。哈勃的數(shù)字指向的宇宙是一個僅有十八億年的新生宇宙，然而放射性碳元素法測定地球上的巖石可知，地球的存在時間至少有二十億年。當然，多年以后人類的觀測方法將有很大的進步，而且不同的技術(shù)也將運用于天文學觀測中，但是在20世紀60年代時，大爆炸模型是惟一可行的理論，能夠比較合理地解釋宇宙的起源和現(xiàn)狀。

另外一個廣義相對論的完美證明應(yīng)該在此特別提及。勒梅特赫最初曾提出宇宙就像一個“原始的粒子”，但如果宇宙誕生的時候只有輻射的話會發(fā)生什么結(jié)果？鮑伯·迪克，即此前曾做實驗檢驗過愛因斯坦的等效原理的物理學家，他確信一些宇宙誕生時殘留的輻射肯定還留在宇宙的某個地方?jīng)]被發(fā)現(xiàn)。他與自己的研究生吉姆·皮布爾斯和戴維·威爾金森一起尋找這些輻射殘余。有一天，就如故事中常有的情節(jié)那樣“踏破鐵鞋無覓處，得來全不費工夫”，迪克在普林斯頓實驗室的電話響起，兩位在貝爾實驗室工作的科學家阿諾·阿蘭·彭澤斯和羅伯特·威爾遜向迪克請教，他們制造的射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)了一些問題：當他們利用望遠鏡試圖觀測宇宙中幾厘米波長的信號時總是會監(jiān)測到非常嘈雜的背景噪音。他們原先以為這些噪音可能是望遠鏡上落上了鴿子屎，便把設(shè)備重新清理了一遍，但這種噪音依然存在。迪克能幫助他們嗎？迪克聞訊捂上聽筒對吉姆·皮布爾斯和戴維·威爾金森說，“嗨，有人搶在我們前面了?！钡峡穗S即向彭澤斯和威爾遜解釋說這個噪音可能意味著他們已發(fā)現(xiàn)了大爆炸殘留下的輻射。此后不久，彭澤斯和威爾遜合寫了一篇論文介紹了他們的發(fā)現(xiàn)，并發(fā)表在名望很高的《天文學雜志》上。迪克和他的研究生皮布爾斯的論文隨后也發(fā)表在同一刊物上，題為《宇宙黑體輻射》。他們倆用愛因斯坦廣義相對論來說明大爆炸的輻射會慢慢冷卻，達到開氏溫標３度的絕對溫度。從普朗克輻射定律得知，絕對溫度為３度的輻射其輻射波長大約在幾個厘米之間，這就是為什么彭澤斯和威爾遜能獲得背景噪音信號，因為大爆炸的初始輻射的波長慢慢變化，到后來成為與宇宙微波背景的波長相當。彭澤斯和威爾遜因為這一發(fā)現(xiàn)獲得1978年的諾貝爾物理學獎，不過迪克沒能共享這項榮譽。

除此之外，還有一個關(guān)于廣義相對論的預(yù)言值得一提。回想一下水龍頭的水滴和蹦床中的籃球的實驗。如果你打開水龍頭，或把籃球放到蹦床上，地球引力和表面張力之間的微妙平衡就被打破了。如果把籃球往下壓，然后松手：蹦床的表面一般會上上下下地抖動，就像波浪的運動一樣。水滴實驗中，如果打開龍頭開關(guān)，將會在水面上形成一些小水滴和一些波紋。相對論方程式也與此類似。時空的曲率取決于物體的應(yīng)力張量。如果物體發(fā)生損壞，應(yīng)力張量也發(fā)生變化，那么相對的時空曲率也隨之改變。愛因斯坦在一篇1918年的論文中預(yù)言引力波是可能存在的：如果同樣這些難以預(yù)測的事發(fā)生在一顆星體，星體質(zhì)量發(fā)生重大變化，也將導致時空的波動。對一顆主要由氣體組成的一般恒星來說，一定氣體的溫度會產(chǎn)生一定的壓力，防止恒星在自身引力作用下坍塌。當該恒星進入老年期，它會燃盡用于保持這種溫度所需的燃料，如果燃料真的用盡，這時便沒有壓力可以抵消自身引力，它便發(fā)生了坍塌，向內(nèi)破裂了——這種情況下，坍塌會一直塌陷至離恒星中心一定距離的地方，造成此處的壓力相對較大。在這個點上，從外部向內(nèi)塌陷的物質(zhì)被以一種巨大的能量向外反彈，以驚人的速度向外部太空擴展，這就是所謂的超新星爆炸。天文學家經(jīng)常能觀測到這種超新星爆炸，它們爆炸時通常會產(chǎn)生巨量的Ｘ射線。超新星也是觀測引力波的好例子?？茖W家們正在建造許多引力波探測器，如果真的能夠捕捉到引力波，那將是廣義相對論正確性的很好證明。

1974年，美國人喬·泰勒和盧瑟爾·豪斯發(fā)現(xiàn)一對奇怪的雙子星。其中一個是脈沖星，標號為PSR1913＋16，它在圍繞一個看不見的伙伴天體旋轉(zhuǎn)時發(fā)射出強大的脈沖輻射。天文學家們認為這個看不見的天體極有可能是一顆脈沖星，這很可能是一個雙脈沖星系統(tǒng)。1978年，他們通過多年跟蹤觀測最終表明，根據(jù)愛因斯坦廣義相對論，該雙星系統(tǒng)發(fā)射出引力輻射，改變了雙星的旋轉(zhuǎn)軌道。這些便是泰勒和豪斯的發(fā)現(xiàn)。在接下來的二十年中，他們一直密切觀測著這個雙脈沖星系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)它們的軌道不斷改變。這樣的改變與水星近日點軌道的變動還不一樣。兩位天文學家發(fā)現(xiàn)，脈沖雙星的軌道改變意味著它們正在失去能量。這兩個星體的能量通過發(fā)出引力輻射而衰減。至此，他們終于證實恒星確實會發(fā)出引力輻射，而且強度跟愛因斯坦的相對論所預(yù)言的一樣。為了表彰他們對物理學的貢獻，泰勒和豪斯被授予1993年的諾貝爾物理學獎。

＊＊＊

愛因斯坦的廣義相對論完成于1916年?，F(xiàn)在這一理論已成為每一位物理學家的必修課。大爆炸的宇宙模型與廣義相對論完美地結(jié)合，新一代物理學家們正在為證實愛因斯坦的理論提供高科技的手段。微波背景輻射也能為廣義相對論所完美解釋。宇宙微波背景探測中心還首次繪制出高分辨率的宇宙微波背景圖，現(xiàn)在通過威爾金森微波背景輻射探測系統(tǒng)（這套系統(tǒng)是以迪克以前的學生戴維·威爾金森的名字命名的）的幫助，人們可以發(fā)現(xiàn)非常微小的輻射波動。自此，廣義相對論完全通過實驗的檢驗成為一個應(yīng)用科學。