例如，假定太陽就在此刻停止發(fā)光，它不會(huì)對(duì)此刻的地球發(fā)生影響，因?yàn)榈厍虻拇丝淌窃谔栂邕@一事件的光錐之外（圖）。我們只能在8分鐘之后才知道這一事件，這是光從太陽到達(dá)我們所花的時(shí)間。只有到那時(shí)候，地球上的事件才在太陽熄滅這一事件的將來光錐之內(nèi)。同理，我們也不知道這一時(shí)刻發(fā)生在宇宙中更遠(yuǎn)地方的事：我們看到的從很遠(yuǎn)星系來的光是在幾百萬年之前發(fā)出的，在我們看到最遠(yuǎn)物體的情況下，光是在80億年前發(fā)出的。這樣當(dāng)我們看宇宙時(shí)，我們是在看它的過去。

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如果人們忽略引力效應(yīng)，正如1905年愛因斯坦和彭加勒所做的那樣，人們就得到了稱為狹義相對(duì)論的理論。對(duì)于時(shí)空中的每一事件我們都可以做一個(gè)光錐（所有從該事件發(fā)出的光的可能軌跡的集合），由于在每一事件處在任一方向的光的速度都一樣，所以所有光錐都是全等的，并朝著同一方向。這理論又告訴我們，沒有東西走得比光更快。這意味著，通過空間和時(shí)間的任何物體的軌跡必須由一根落在它上面的每一事件的光錐之內(nèi)的線來表示（圖）。

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狹義相對(duì)論非常成功地解釋了如下事實(shí)：對(duì)所有觀察者而言，光速都是一樣的（正如麥克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)所展示的那樣），并成功地描述了當(dāng)物體以接近于光速運(yùn)動(dòng)時(shí)的行為。然而，它和牛頓引力理論不相協(xié)調(diào)。牛頓理論說，物體之間的吸引力依賴于它們之間的距離。這意味著，如果我們移動(dòng)一個(gè)物體，另一物體所受的力就會(huì)立即改變。或換言之，引力效應(yīng)必須以無限速度來傳遞，而不像狹義相對(duì)論所要求的那樣，只能以等于或低于光速的速度來傳遞。愛因斯坦在1908年至1914年之間進(jìn)行了多次不成功的嘗試，企圖去找一個(gè)和狹義相對(duì)論相協(xié)調(diào)的引力理論。1915年，他終于提出了今天我們稱之為廣義相對(duì)論的理論。

愛因斯坦提出了革命性的思想，即引力不像其他種類的力，而只不過是時(shí)空不是平坦的這一事實(shí)的后果。正如早先他假定的那樣，時(shí)空是由于在它中間的質(zhì)量和能量的分布而變彎曲或“翹曲”的。像地球這樣的物體并非由于稱為引力的力使之沿著彎曲軌道運(yùn)動(dòng)，而是它沿著彎曲空間中最接近于直線的稱之為測(cè)地線的軌跡運(yùn)動(dòng)。一根測(cè)地線是兩鄰近點(diǎn)之間最短（或最長(zhǎng)）的路徑。例如，地球的表面是一彎曲的二維空間。地球上的測(cè)地線稱為大圓，是兩點(diǎn)之間最近的路（圖）。由于測(cè)地線是兩個(gè)機(jī)場(chǎng)之間的最短程，這正是領(lǐng)航員叫飛行員飛行的航線。在廣義相對(duì)論中，物體總是沿著四維時(shí)空的直線走。盡管如此，在我們的三維空間看起來它是沿著彎曲的途徑（這正如同看一架在非常多山的地面上空飛行的飛機(jī)。雖然它沿著三維空間的直線飛，在二維的地面上它的影子卻是沿著一條彎曲的路徑）。

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太陽的質(zhì)量引起時(shí)空的彎曲，使得在四維的時(shí)空中地球雖然沿著直線的軌跡，它卻讓我們?cè)谌S空間中看起來是沿著一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)。事實(shí)上，廣義相對(duì)論預(yù)言的行星軌道幾乎和牛頓引力理論所預(yù)言的完全一致。然而，對(duì)于水星，這顆離太陽最近、受到引力效應(yīng)最強(qiáng)、并具有被拉得相當(dāng)長(zhǎng)的軌道的行星，廣義相對(duì)論預(yù)言其軌道橢圓的長(zhǎng)軸繞著太陽以大約每1萬年1度的速率進(jìn)動(dòng)。這個(gè)效應(yīng)雖然小，但在1915年前即被人們注意到了，并被作為愛因斯坦理論的第一個(gè)驗(yàn)證。近年來，其他行星的和牛頓理論預(yù)言的甚至更小的軌道偏差也已被雷達(dá)測(cè)量到，并且發(fā)現(xiàn)和廣義相對(duì)論的預(yù)言相符。

光線也必須沿著時(shí)空的測(cè)地線走。空間是彎曲的事實(shí)又一次意味著，在空間中光線看起來不是沿著直線走。這樣，廣義相對(duì)論預(yù)言光線必須被引力場(chǎng)所折彎。譬如，理論預(yù)言，由于太陽的質(zhì)量的緣故，太陽近處的點(diǎn)的光錐會(huì)向內(nèi)稍微偏折。這表明，從遠(yuǎn)處恒星發(fā)出的剛好通過太陽附近的光線會(huì)被折彎很小的角度，對(duì)于地球上的觀察者而言，這恒星顯得是位于不同的位置（圖）。當(dāng)然，如果從恒星來的光線總是在靠太陽很近的地方穿過，則我們無從知道這光線是被偏折了，還是這恒星實(shí)際上就是在我們所看到的地方。然而，當(dāng)?shù)厍蚶@著太陽公轉(zhuǎn)，不同的恒星從太陽后面通過，并且它們的光線被偏折。所以，相對(duì)于其他恒星而言，它們改變了表觀的位置。

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在正常情況下，去觀察到這個(gè)效應(yīng)是非常困難的，這是由于太陽的光線使得人們不可能觀看天空上出現(xiàn)在太陽附近的恒星。然而，在日食時(shí)就可能觀察到，這時(shí)太陽的光線被月亮遮住了。由于第一次世界大戰(zhàn)正在進(jìn)行，愛因斯坦的光偏折的預(yù)言不可能在1915年立即得到驗(yàn)證。直到1919年，一個(gè)英國(guó)的探險(xiǎn)隊(duì)從西非觀測(cè)日食，指出光線確實(shí)像理論所預(yù)言的那樣被太陽所偏折。這次德國(guó)人的理論為英國(guó)人所證明被歡呼為戰(zhàn)后兩國(guó)和好的偉大行動(dòng)。具有諷刺意味的是，后來人們檢查這回探險(xiǎn)所拍的照片，發(fā)現(xiàn)其誤差和所企圖測(cè)量的效應(yīng)同樣大。他們的測(cè)量純屬是運(yùn)氣，或是已知他們所要得的結(jié)果的情形，這在科學(xué)上是普遍發(fā)生的。然而，光偏折被后來的許多次觀測(cè)準(zhǔn)確地證實(shí)。

另一廣義相對(duì)論的預(yù)言是，在像地球這樣的大質(zhì)量的物體附近，時(shí)間顯得流逝得更慢一些。這是因?yàn)楣饽芰亢退念l率（每秒鐘里光振動(dòng)的次數(shù)）有一關(guān)系：能量越大，則頻率越高。當(dāng)光從地球的引力場(chǎng)往上走，它失去能量，因而其頻率下降（這表明兩個(gè)波峰之間的時(shí)間間隔變大）。從在上面的某個(gè)人來看，下面發(fā)生的每一件事情都顯得需要更長(zhǎng)的時(shí)間。利用一對(duì)安裝在一個(gè)水塔的頂上和底下的非常準(zhǔn)確的鐘，這個(gè)預(yù)言在1962年被驗(yàn)證到。發(fā)現(xiàn)底下的那只更接近地球的鐘走得更慢些，這和廣義相對(duì)論完全一致。地球上的不同高度的鐘的速度不同，這在目前具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用上的重要性，這是因?yàn)槿藗円眯l(wèi)星發(fā)出的信號(hào)來作非常精確的導(dǎo)航。如果人們對(duì)廣義相對(duì)論的預(yù)言無知，所計(jì)算的位置將會(huì)錯(cuò)幾英里（1英里=公里）！

牛頓運(yùn)動(dòng)定律使空間中絕對(duì)位置的觀念告終。而對(duì)論擺脫了絕對(duì)時(shí)間。考慮一對(duì)雙生子，假定其中一個(gè)孩子去山頂上生活，而另一個(gè)留在海平面，第一個(gè)將比第二個(gè)老得快。這樣，如果他們?cè)俅蜗鄷?huì)，一個(gè)會(huì)比另一個(gè)更老。在這種情形下，年紀(jì)的差別非常小。但是，如果有一個(gè)孩子在以近于光速運(yùn)動(dòng)的空間飛船中作長(zhǎng)途旅行，這種差別就會(huì)大得多。當(dāng)他回來時(shí)，他會(huì)比留在地球上另一個(gè)人年輕得多。這即是被稱為雙生子的佯謬。但是，只是對(duì)于頭腦中仍有絕對(duì)時(shí)間觀念的人而言，這才是佯謬。在相對(duì)論中并沒有一個(gè)唯一的絕對(duì)時(shí)間，相反地，每個(gè)人都有他自己的時(shí)間測(cè)度，這依賴于他在何處并如何運(yùn)動(dòng)。

1915年之前，空間和時(shí)間被認(rèn)為是事件在其中發(fā)生的固定舞臺(tái)，而它們不受在其中發(fā)生的事件的影響。即便在狹義相對(duì)論中，這也是對(duì)的。物體運(yùn)動(dòng)，力相互吸引并排斥，但時(shí)間和空間則完全不受影響地延伸著。空間和時(shí)間很自然地被認(rèn)為無限地向前延伸。

然而在廣義相對(duì)論中，情況則相當(dāng)不同。這時(shí)，空間和時(shí)間變成為動(dòng)力量：當(dāng)一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，或一個(gè)力起作用時(shí)，它影響了空間和時(shí)間的曲率；反過來，時(shí)空的結(jié)構(gòu)影響了物體運(yùn)動(dòng)和力作用的方式。空間和時(shí)間不僅去影響、而且被發(fā)生在宇宙中的每一件事所影響。正如一個(gè)人不用空間和時(shí)間的概念不能談?dòng)钪娴氖录粯樱瑯釉趶V義相對(duì)論中，在宇宙界限之外講空間和時(shí)間是沒有意義的。

在以后的幾十年中，對(duì)空間和時(shí)間的新的理解是對(duì)我們的宇宙觀的變革。古老的關(guān)于基本上不變的、已經(jīng)存在并將繼續(xù)存在無限久的宇宙的觀念，已為運(yùn)動(dòng)的、膨脹的并且看來是從一個(gè)有限的過去開始并將在有限的將來終結(jié)的宇宙的觀念所取代。這個(gè)變革正是下一章的內(nèi)容。幾年之后又正是我研究理論物理的起始點(diǎn)。羅杰·彭羅斯和我指出，從愛因斯坦廣義相對(duì)論可推斷出，宇宙必須有個(gè)開端，并可能有個(gè)終結(jié)。

第三章膨脹的宇宙

如果在一個(gè)清澈的、無月亮的夜晚仰望星空，能看到的最亮的星體最可能是金星、火星、木星和土星這幾顆行星，還有巨大數(shù)目的類似太陽、但離開我們遠(yuǎn)得多的恒星。事實(shí)上，當(dāng)?shù)厍蚶@著太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，某些固定的恒星相互之間的位置確實(shí)起了非常微小的變化——它們不是真正固定不動(dòng)的2這是因?yàn)樗鼈兙嚯x我們相對(duì)靠近一些。當(dāng)?shù)厍蚶@著太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，相對(duì)于更遠(yuǎn)處的恒星的背景，我們從不同的位置觀測(cè)它們。這是幸運(yùn)的，因?yàn)樗刮覀兡苤苯訙y(cè)量這些恒星離開我們的距離，它們離我們?cè)浇惋@得移動(dòng)得越多。最近的恒星叫做普羅希馬半人馬座，它離我們大約4光年那么遠(yuǎn)（從它發(fā)出的光大約花4年才能到達(dá)地球），也就是大約23萬億英里的距離。大部分其他可用肉眼看到的恒星離開我們的距離均在幾百光年之內(nèi)。與之相比，我們太陽僅僅在8光分那么遠(yuǎn)！可見的恒星散布在整個(gè)夜空，但是特別集中在一條稱為銀河的帶上。遠(yuǎn)在公元1750年，就有些天文學(xué)家建議，如果大部分可見的恒星處在一個(gè)單獨(dú)的碟狀的結(jié)構(gòu)中，則銀河的外觀可以得到解釋。