爱因斯坦不太在意实验。在他为广义相对论提出的三项检验中，第一项——时钟在引力场中应该走得更慢——直到他去世后才得到证实。早期的实验往往与预测相矛盾。他的第二项预测，即遥远恒星发出的光会被太阳周围扭曲的时空偏转，使他在1919年一举成名，当时对日食的观测似乎证实了他的预测。但正如历史学家后来所表明的，1919年的测量充其量是模棱两可的。
爱因斯坦有生之年对他的理论唯一确凿的验证是他对水星轨道微小异常的解释。当他最终完成这项计算时，他只需要这个证据来证明空间和时间确实是扭曲的。传记作家亚伯拉罕·派斯写道：“自然已经对他说了话。”“他必须是对的。”
我们现在知道他是对的。例如，就在去年，卡西尼号飞船在飞往土星途中发出的无线电信号被太阳偏转的量，恰好与广义相对论的预测相符。爱因斯坦对此不以为然。他相信他的理论是正确的，因为它具有一致性、简洁性和美感。“我相信纯粹的数学构造使我们能够发现概念以及连接它们的定律，这些定律为我们理解自然现象提供了关键，”他在1933年宣称。
无论好坏，爱因斯坦这种物理学方法在今天仍然非常活跃：“纯粹的数学构造”是一个雇佣了数百名工人的行业。他们一直在努力构造的是四种力——引力、电磁力以及强核力和弱核力——的统一理论。为此，他们首先必须找到一种描述引力的方法，不是用爱因斯坦的术语将其描述为时空的弯曲，而是像其他三种力一样，将其描述为力传递量子之间的交换。这种量子引力理论将取代广义相对论，在极度狭窄的空间——黑洞的核心、宇宙大爆炸的瞬间——中发挥作用，而在这些地方，相对论荒谬地预测时空是无限弯曲的。最终的统一理论反过来会满足大多数物理学家根深蒂固的信念，即在宇宙大爆炸后的第一纳秒内，这四种力确实曾经是等价的。华盛顿大学物理学家克利福德·威尔解释说，这个想法“如此美丽，以至于它必定如此”。“这是一种爱因斯坦式的观点。”
果然，目前还没有实验证据支持这一观点——事实上，在实验室中再现黑洞或大爆炸的可能性微乎其微，这让一些研究人员怀疑是否会有任何证据。“自20世纪70年代中期以来，我们一直处于基础物理学中，理论一直在发展，但很大程度上未经实验检验，”多伦多附近周边理论物理研究所的理论物理学家李·斯莫林说。（斯莫林关于爱因斯坦及其科学遗产的文章从第36页开始。）“我们大多数人认为这非常糟糕。”
但最近斯莫林和其他人找到了乐观的理由：理论家的统治似乎即将结束。物理学家们已经意识到，几种量子引力学派正慢慢达成共识，即即使在黑洞之外，也可能探测到相对论的增量违背，而无需建造一个宇宙大小的粒子加速器。出于这个原因，也因为实验者喜欢在宏大理论的华丽门面上挑毛病，爱因斯坦的思想如今正以越来越高的频率和非凡的精度受到检验。以下是这些实验的几个例子——这只是正在进行或正在计划中的众多实验中的一小部分。
爱因斯坦在1930年写道：“我不认为广义相对论的主要意义在于预测一些微小的可观测效应。”然而，正是微小的可观测效应最终证明，在某些情况下，牛顿物理学需要被爱因斯坦的物理学取代。同样，正是微小的可观测效应终有一天会证明爱因斯坦天才的极限在哪里。“人们有时会问，‘你为什么觉得你应该坚持以这种方式进行对爱因斯坦的检验？’”斯坦福大学物理学家弗朗西斯·埃弗里特说，他是于今年4月发射的“引力探测器B”卫星实验的主要负责人之一。“难道爱因斯坦的理论不是都已经确立和证实了吗？毕竟，他发展他的第一个相对论理论已经一百年了。难道我们还不了解这一切吗？答案是否定的。”正在进行的一些最重要的实验可能会回答以下问题。
光速是恒定的吗？
晚年的爱因斯坦甚至不记得他1905年是否知道迈克尔逊-莫雷实验，该实验表明光速在所有方向上都是恒定的。尽管我们现在认为该实验打破了绝对空间和时间，但这绝不是阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷在1887年在克利夫兰西储大学的地下室进行实验时所预期的结果。他们试图检测光速的变化，以证明“发光以太”的存在，这是一种被认为弥漫于宇宙的完全静止、透明而神秘的物质。物理学家们曾将以太构想成一种可以传递光波的介质，就像空气或水传递声波一样。以太必须存在，但没有人见过它——它有点像今天的暗物质。
由于地球以每秒18英里的速度绕太阳运行，迈克尔逊和莫雷推断，他们应该能够借助一种称为干涉仪的实验装置，探测到一股以太风吹过他们克利夫兰的地下室。他们用半镀银镜将一道光束分成两半，将这两半光束以直角方向发出，然后让它们在约五英尺外的镜子上反射。两人预期，逆以太风（与地球运动方向相同）传播的光波会减慢速度，并比横向以太风传播的光波稍晚到达起点。当两束光束重新组合时，偏移的波会相互干涉，产生独特的光暗条纹图案。迈克尔逊和莫雷进行了极其仔细的测量，但没有看到图案中断——光束在所有方向上以相同的速度传播，不受任何以太风的影响。
当然，一个无效的结果并不能使宇宙摆脱以太。迈克尔逊在1931年去世时仍然坚信以太必须存在。但那时爱因斯坦已经改变了大多数人的看法，说服他们接受一个简单而美丽的真理：光速 c 确实与任何其他速度不同。任何测量任何光束（或任何其他类型的电磁辐射）速度的人都会得到相同的 c 值：299,792,458米/秒。爱因斯坦断定，没有绝对空间，无论是否充满以太。从这个角度看，迈克尔逊-莫雷的结果是完全有道理的。
然而，如今理论家们正在质疑 c 的绝对性。某些版本的弦理论（统一理论最流行的候选者）认为，宇宙大爆炸后可能残留下极其微弱的力场，它们在空间的不同区域指向不同的方向。测量 c 的实验可能会根据装置相对于其中一个力场的方向而产生变化，这些变化远小于迈克尔逊和莫雷所能探测到的。
几个小组正在用现代版的迈克尔逊-莫雷实验寻找这种变化。彼得·沃尔夫、塞巴斯蒂安·比泽和他们在巴黎天文台的同事们用在小型蓝宝石晶体中以12千兆赫振荡的微波测量 c。微波在晶体中来回反射并相互增强，或产生共振——只要它们精确地以 c 的速度移动。如果 c 因为晶体相对于某个“优选”空间方向的变化而发生变化，那么蓝宝石振荡器的共振频率也会随之改变。包含晶体的装置浸泡在液氦中，将其冷却到绝对零度以上几度，以确保晶体甚至不会膨胀或收缩一个飞米。
在几个月的时间里，随着地球自转和绕太阳公转，巴黎的研究人员监测他们的振荡器，并将其与氢微波激射器（微波激光器）的微波进行比较，氢微波激射器不应受地球运动的影响。“我们测量的是微小的频率差，”比泽说。“我们寻找与地球运动相关的调制。”
另一个位于柏林洪堡大学的小组使用略有不同的装置，比较一对蓝宝石振荡器的输出。在过去几年中，这两个小组取得了大致相似的零结果。“光速在任何两个方向上的差异约为万亿分之一，”柏林团队前成员、现任斯坦福大学的霍尔格·穆勒说。这相当于将美国国民生产总值精确到一分钱。
在广阔的距离上，即使是如此微小的变化也可能变得有意义。如果两个光子在速度上存在如此大的差异，并且它们在同一时刻从十亿光年外的星系出发，那么它们将相隔30秒到达地球。几年前，罗马大学的物理学家乔瓦尼·阿梅利诺-卡梅利亚想出了一个办法，通过这种竞赛来以新的方式检验 c 的恒定性。一些量子引力理论要求时空本身是颗粒状的——由离散的量子组成，据推测大小约为10^-35米，因为这是爱因斯坦场方程产生麻烦的无限性时的尺度。（质子比这大一亿万亿倍。）阿梅利诺-卡梅利亚计算出光子可能以略微不同的速度穿过这种宇宙泡沫，这取决于它们的能量，而不是它们的传播方向——这是迈克尔逊-莫雷实验所检验的可能性。
大概在2007年，美国宇航局计划发射GLAST（伽马射线大面积空间望远镜）。其主要目的是让天文学家研究伽马射线暴等事件，这些是遥远星系中神秘而强大的爆炸。但它也可以作为阿梅利诺-卡梅利亚的终点线。他推断，一次爆发中的所有光子必须在大致相同的时间离开起跑线。如果你比较大量高能光子和大量相对低能光子，你应该会发现，平均而言，经过十亿年的竞赛后，高能光子会提前大约一毫秒到达GLAST的探测器。他和一些量子引力理论家对这种可能性感到非常兴奋，这恰恰说明了他们所面临的挑战。
爱因斯坦关于自由落体是对的吗？
1907年，爱因斯坦坐在伯尔尼专利局的办公桌前，想象自己从房子上跳下来，并意识到在下落时他不会感受到自己的重量。选择比萨斜塔作为他的思想实验会更具诗意：伽利略在他那里进行自己的传奇实验——真正的传奇，因为他可能从未真正做过——表明不同质量和组成的物体在经历相同的引力加速度方面是等效的。如果它们同时下落，它们应该同时落地。爱因斯坦将伽利略的等效原理推向更远。爱因斯坦意识到，如果一个自由下落的物理学家扔下一件东西，它会一直待在他旁边。下落的人将无法分辨（如果他闭上眼睛）他正在下落，根本不会意识到引力的存在；他随身携带的实验室中的所有仪器也是如此。爱因斯坦最终得出结论，引力是时空的弯曲，而不是从质量本身散发出来的东西。
但伽利略本人是对的吗？牛顿等人检验了等效原理。显然，在1907年爱因斯坦不知道的是，一位名叫罗兰德·冯·埃特沃斯的匈牙利男爵最近使用一种称为扭摆的装置完成了更新、高精度的测试。埃特沃斯实验的现代版本至今仍在许多实验室中进行。阿波罗15号指挥官大卫·斯科特在1971年最后一次月球漫步结束时进行了一次不太精确但更引人注目的演示，他从肩膀高度扔下了一把地质锤和一根猎鹰羽毛。电视直播观众看着它们同时撞击无空气的月球。阿波罗任务之后，地球上的物理学家开始用激光束反射宇航员留在月球上的反射器，以越来越高的精度测量地月距离。尽管地球和月球由不同物质组成——月球缺乏铁核——但迄今为止的测量表明，它们以完全相同的加速度“坠向”太阳。
月球激光测距和现代埃特沃斯实验已将等效原理验证到万亿分之一以内。法国航空航天研究机构ONERA的物理学家皮埃尔·图布尔认为他可以做得好一百到一千倍。图布尔是MICROSCOPE项目的科学家，这是一颗由欧洲空间局计划于2007年发射的微型卫星。其目的是在太空中用不同组成的测试质量进行伽利略的自由落体实验。图布尔解释说，在太空中，您无需担心实验室外引力场的微小波动可能会干扰您的结果。与月球一样，轨道测试质量会长时间下落，让您可以用数据淹没噪音。
MICROSCOPE上的测试质量将是两个同心圆柱体，由钛和铂制成。（对照实验将使用两个铂圆柱体。）这些圆柱体将夹在镀金硅电极之间，但也会通过薄薄的真空间隔与它们分开——测试质量将漂浮在电极的静电场上。5微米宽的松散导线将消除宇宙射线带来的任何电荷，这将是它们与卫星其余部分唯一的物理接触。卫星上的推进器将补偿大气层外层微弱的阻力。测试质量将感受到的唯一力是地球引力。保持它们在同一轨道所需的静电场中的任何差异将由静电悬浮提供。
图布尔解释说，与其试图确定两个质量是否以不同方式下落，一个稍微多地向地球倾斜，不如测量将它们精确保持在同一轨道所需的静电力更简单、更精确。这些力只是提供给电极的电流的函数。“如果力是相同的，那么就没有违反等效原理，”图布尔说。MICROSCOPE将使测试质量轨道在1000亿分之一米（或原子宽度的十分之一）内保持相同。这应该使其能够检测到低至万亿分之一的等效原理违反。一些弦理论家预测的违反会更大。
“从科学角度来看，没有发现任何违规行为和发现违规行为一样有趣，”图布尔说。“但我内心深处的信念是，肯定会有违规行为。我们只是不知道会在什么层面发生。”
地球会扭曲时空吗？
在完成广义相对论八年前，爱因斯坦做出了一个奇怪的预测：引力应该减缓时间的流逝，并将光波拉向光谱的红端。多年来，人们试图在太阳光谱中观测到这种引力红移，但都失败了。直到1976年，一枚侦察D型火箭将一个氢原子钟送入10,000公里（约6,000英里）的高度，才精确证实了这一点。在它坠入百慕大以东一千英里的大西洋之前的两个小时里，火箭的计时与地球上一个相同的时钟进行了比较。氢原子钟发出1.42千兆赫的微波；在火箭的远地点，机载时钟比其地面孪生兄弟快约一赫兹。爱因斯坦最终被证实，精度达到了十万分之几：引力越强，时钟越慢。
那次任务被称为“引力探测器A”。自那时以来，原子钟取得了巨大的进步，一项名为ACEST（太空原子钟组）的欧洲任务可能会在2007年将一个原子钟送上空间站。其激光冷却铯原子钟有望比“引力探测器A”更精确25倍地测量引力红移；在空间站的高度，它应该在大约700年内快一秒。而今年4月，NASA终于发射了“引力探测器B”，该项目自1961年以来一直在计划中。它旨在测量时空的弯曲以及自转地球如何影响它。
引力探测器B的主体是一个装有645加仑液氦的热水瓶。其核心是四个异常敏感的陀螺仪。每个陀螺仪都是一个乒乓球大小的石英球体，光滑度在百万分之一英寸以内，并涂有铌金属，铌在液氦温度下具有超导性。当球体在静电场中以每分钟10,000转的速度旋转时，铌中的电流将产生一个磁场，该磁场将与球体否则不可见的自转轴完美对齐——并且可以通过敏感探测器进行测量。
到初夏，卫星的望远镜已锁定了一颗遥远的引导星——IM飞马座；所有四个球体现在都与这颗星对齐。在未来一年中，由斯坦福大学的弗朗西斯·埃弗里特领导的引力探测器B团队将监测这些球体，以观察时空的扭曲或拖曳是否会使它们的自转轴偏离对齐。“这将是一个非常枯燥的实验，”埃弗里特说。
然而，这却是一个颇具争议的任务。一些物理学家认为，这项任务耗资7亿美元并不值得，他们觉得在它40年的酝酿过程中，“引力探测器B”已被其他研究超越。例如，卡西尼号飞船对空间曲率的测量精度已经比“引力探测器B”设定的0.01%的精度目标高出数倍。（埃弗里特团队希望超越这个目标。）
但“引力探测器B”还将做一些更重要的事情。它将量化自转地球如何像糖浆一样搅动时空——这是一种被称为框架拖曳的相对论效应，从未被直接测量过。在地球周围，这种现象是一种奇特之处；为了观察它，埃弗里特的团队必须检测到他们的陀螺仪轴偏转仅为42毫弧秒。（团队的文献解释说，这相当于在四分之一英里外看到一根人发的宽度所形成的夹角。）然而，在自转黑洞周围，框架拖曳可能非常重要：通过搅动黑洞周围带电气体中的磁力线，它可能将它们转化为电磁发电机，这将解释它们如何将高能粒子喷射到数百万光年外的空间。“‘引力探测器B’将为我们做的，是首次验证这种效应确实存在，”加州理工学院引力理论家基普·索恩说。它还将验证广义相对论能否准确预测这种效应的大小。
引力波在宇宙中翻腾吗？
如果你需要现代物理学家对相对论完全信任的任何证据，你可以在路易斯安那州的利文斯顿找到。或者在华盛顿州的汉福德。或者在意大利比萨市外。在所有这些地方，物理学家们都建造了耗资数亿美元的新型天文台，其臂膀向垂直方向延伸数英里。这些天文台旨在探测一种从未被观测到但广义相对论告诉物理学家必须存在的辐射：引力波。
引力波是时空海洋中的涟漪；爱因斯坦早在1916年就预言了它们的存在。当宇宙中某个巨大物体溅起巨大的水花时，它们会向四面八方传播。物理学家能想到的最佳来源是两个黑洞或两颗中子星相互螺旋靠近然后碰撞。事实上，尽管没有人见过引力波，但诺贝尔奖已经颁发给证明其真实性的工作。天文学家约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯证明，两颗轨道脉冲星——旋转时发出辐射束的中子星——正在减速，其减速量与相对论预测它们应以引力波形式发射的能量完全一致。尽管如此，如果能探测到引力波还是很好的。“这会了结一切，”物理学家彼得·索尔森说，他参与了两个美国天文台的工作，这两个天文台被称为LIGO，即激光干涉引力波天文台。“这是一种理智的检验。”
目前正在投入使用的天文台——两个LIGO正在运行但仍在调试；欧洲的VIRGO将于明年启动——都是迈克尔逊干涉仪。一道红外激光束被分成两半；一半沿一条2.5英里长的真空隧道传播，另一半沿与第一条隧道成直角的第二条隧道传播。每束光束在隧道末端反射回镜面，然后返回起点，两束光束在此处发生干涉。干涉图案的变化（迈克尔逊曾希望以此显示光速的变化）现在用于指示光束长度的变化。科学家预测，这些变化将由引力波引起，引力波在穿过仪器时会拉伸和挤压时空。这些天文台旨在探测小至氢原子尺寸的亿分之一的变化。引力波太难以与其他振动区分，以至于物理学家不会相信引力波的存在，除非至少有两个天文台看到相同的微小位移。
如果他们真的看到了某些波，他们将能够以几种方式检验广义相对论。相对论精确预测了引力波应该产生的拉伸和压缩量。它预测引力波应该以光速传播。它详细预测了两个黑洞碰撞时会产生的时空湍流。
问题是，没有人真正知道此类事件发生的频率。天文台旨在对远至6500万光年外的室女座星系团发出的波敏感。但这可能还不够远。甚至在LIGO达到其设计灵敏度之前，其负责人就已经申请资金使其灵敏度再提高10倍。另一方面，物理学家对最终的成功充满信心，以至于他们已经说服NASA和欧洲航天局开始规划LISA（激光干涉空间天线），这是一个由三颗卫星组成的太空干涉仪，目前暂定于2012年发射。
克利福德·威尔说，首次探测到引力波，“将是一个激动人心的时刻。它将使这一切合法化。”
我们会发现爱因斯坦的相对论有一点点错误吗？
大多数物理学家认为，爱因斯坦的理论被推翻只是时间问题。相对论触及了物理学的许多方面，以至于几乎任何地方都可能出现违反之处。除了已经提到的所有实验之外，它还可能来自宇宙远端的类星体。由新南威尔士大学约翰·韦伯领导的一个天文学家团队一直在测量类星体发出的光是如何被位于它们和我们之间但仍有数十亿光年之遥的气体云吸收的，因此它们的吸收发生在数十亿年前。原子吸收光的频率受一种称为精细结构常数的物理性质控制。通过将他们的气体云数据与在地球实验室进行的等效测量进行比较，韦伯和他的同事们假设今天的精细结构常数比80亿年前大约大千分之一。如果是这样，那将明显违反等效原理——物理定律不应该随时间变化。然而，最近，另一个天文学家团队未能证实韦伯的观测结果。目前尚无定论。
对宇宙射线的观测也可能暴露出相对论的违反。宇宙射线是来自四面八方轰击地球的高能粒子。基于狭义相对论的计算预测，超高能宇宙射线应该很少到达地球，因为它们在太空中会损失能量。一个日本天文台观测到的超高能宇宙射线比预期多，像阿梅利诺-卡梅利亚这样的理论家认为这种过量可能是时空颗粒化的第一个证据，这会使高能粒子的通过变得更容易。一个目前正在阿根廷开始工作的更强大的天文台可能会解决这个问题。
最后，还有一个恼人的小问题：宇宙是由什么构成的。暗物质的概念已经存在了这么久，而且它构成了宇宙大部分的想法也被重复了如此多次，以至于人们几乎会忘记它从未被探测到。人们相信星系拥有暗物质晕的主要原因之一是，星系在其外围旋转得比其可见物质所施加的引力所允许的要快。但另一种替代理论，称为修正牛顿动力学（MOND），通过简单地修改牛顿的引力定律——从而修改爱因斯坦的引力定律——在解释星系旋转方面做得更好。
这是一个难看的修补，而且不像暗物质那样与更大的粒子物理学理论相关联，所以理论家们不喜欢它。然而，李·斯莫林说：“越来越多来自不同专业的人告诉我，他们半夜醒来，担心MOND做得有多好。我希望暗物质模型最终能做得更好。如果不能，我们就会看到爱因斯坦方程在我们眼前的大规模违背。”
那不会很有趣吗？看到这位留着小丑发型的老圣人被一些微小的可观测效应稍微削弱一点，难道不是很有趣吗？也许我们就会少听到一些“上帝是微妙的”和“上帝不掷骰子”之类的废话了。“物理学中有两种心理，”索尔森说。“一种是热爱秩序和美，希望理论是正确的人。另一种是认为理论家胡说八道，希望我们进行实验时能发现一些惊人事物的人。”如果运气好，第二类人即将迎来他们的时代。
