第6章
图
图
如果人们忽略引力效应，正如1905年爱因斯坦和彭加勒所做的那样，人们就得到了称为狭义相对论的理论。对于时空中的每一事件我們都可以做一個光锥（所有从该事件发出的光的可能轨迹的集合），由于在每一事件处在任一方向的光的速度都一样，所以所有光锥都是全等的，并朝着同一方向。這理论又告诉我們，沒有东西走得比光更快。這意味着，通過空间和時間的任何物体的轨迹必须由一根落在它上面的每一事件的光锥之内的线来表示（图）。
图
狭义相对论非常成功地解释了如下事实：对所有观察者而言，光速都是一样的（正如麦克尔逊——莫雷实验所展示的那样），并成功地描述了当物体以接近于光速运动时的行为。然而，它和牛顿引力理论不相协调。牛顿理论說，物体之间的吸引力依赖于它们之间的距离。這意味着，如果我們移动一個物体，另一物体所受的力就会立即改变。或换言之，引力效应必须以无限速度来传递，而不像狭义相对论所要求的那样，只能以等于或低于光速的速度来传递。爱因斯坦在1908年至1914年之间进行了多次不成功的尝试，企图去找一個和狭义相对论相协调的引力理论。1915年，他终于提出了今天我們称之为广义相对论的理论。
爱因斯坦提出了革命性的思想，即引力不像其他种类的力，而只不過是时空不是平坦的這一事实的后果。正如早先他假定的那样，时空是由于在它中间的质量和能量的分布而变弯曲或“翘曲”的。像地球這样的物体并非由于称为引力的力使之沿着弯曲轨道运动，而是它沿着弯曲空间中最接近于直线的称之为测地线的轨迹运动。一根测地线是两邻近点之间最短（或最长）的路径。例如，地球的表面是一弯曲的二维空间。地球上的测地线称为大圆，是两点之间最近的路（图）。由于测地线是两個机场之间的最短程，這正是领航员叫飞行员飞行的航线。在广义相对论中，物体总是沿着四维时空的直线走。尽管如此，在我們的三维空间看起来它是沿着弯曲的途径（這正如同看一架在非常多山的地面上空飞行的飞机。虽然它沿着三维空间的直线飞，在二维的地面上它的影子却是沿着一條弯曲的路径）。
图
太阳的质量引起时空的弯曲，使得在四维的时空中地球虽然沿着直线的轨迹，它却让我們在三维空间中看起来是沿着一個圆周运动。事实上，广义相对论预言的行星轨道几乎和牛顿引力理论所预言的完全一致。然而，对于水星，這颗离太阳最近、受到引力效应最强、并具有被拉得相当长的轨道的行星，广义相对论预言其轨道椭圆的长轴绕着太阳以大约每1万年1度的速率进动。這個效应虽然小，但在1915年前即被人们注意到了，并被作为爱因斯坦理论的第一個驗證。近年来，其他行星的和牛顿理论预言的甚至更小的轨道偏差也已被雷达测量到，并且发现和广义相对论的预言相符。
光线也必须沿着时空的测地线走。空间是弯曲的事实又一次意味着，在空间中光线看起来不是沿着直线走。這样，广义相对论预言光线必须被引力场所折弯。譬如，理论预言，由于太阳的质量的缘故，太阳近处的点的光锥会向内稍微偏折。這表明，从远处恒星发出的刚好通過太阳附近的光线会被折弯很小的角度，对于地球上的观察者而言，這恒星显得是位于不同的位置（图）。当然，如果从恒星来的光线总是在靠太阳很近的地方穿過，则我們无从知道這光线是被偏折了，還是這恒星实际上就是在我們所看到的地方。然而，当地球绕着太阳公转，不同的恒星从太阳后面通過，并且它们的光线被偏折。所以，相对于其他恒星而言，它们改变了表观的位置。
图
在正常情况下，去观察到這個效应是非常困难的，這是由于太阳的光线使得人们不可能观看天空上出现在太阳附近的恒星。然而，在日食时就可能观察到，這时太阳的光线被月亮遮住了。由于第一次世界大战正在进行，爱因斯坦的光偏折的预言不可能在1915年立即得到驗證。直到1919年，一個英国的探险队从西非观测日食，指出光线确实像理论所预言的那样被太阳所偏折。這次德国人的理论为英国人所证明被欢呼为战后两国和好的伟大行动。具有讽刺意味的是，后来人们检查這回探险所拍的照片，发现其误差和所企图测量的效应同样大。他们的测量纯属是运气，或是已知他们所要得的结果的情形，這在科学上是普遍发生的。然而，光偏折被后来的许多次观测准确地证实。
另一广义相对论的预言是，在像地球這样的大质量的物体附近，時間显得流逝得更慢一些。這是因为光能量和它的频率（每秒钟裡光振动的次数）有一关系：能量越大，则频率越高。当光从地球的引力场往上走，它失去能量，因而其频率下降（這表明两個波峰之间的時間间隔变大）。从在上面的某個人来看，下面发生的每一件事情都显得需要更长的時間。利用一对安装在一個水塔的顶上和底下的非常准确的钟，這個预言在1962年被驗證到。发现底下的那只更接近地球的钟走得更慢些，這和广义相对论完全一致。地球上的不同高度的钟的速度不同，這在目前具有相当的实用上的重要性，這是因为人们要用卫星发出的信号来作非常精确的导航。如果人们对广义相对论的预言无知，所计算的位置将会错几英裡（1英裡=公裡）！
牛顿运动定律使空间中绝对位置的观念告终。而对论摆脱了绝对時間。考虑一对双生子，假定其中一個孩子去山顶上生活，而另一個留在海平面，第一個将比第二個老得快。這样，如果他们再次相会，一個会比另一個更老。在這种情形下，年纪的差别非常小。但是，如果有一個孩子在以近于光速运动的空间飞船中作长途旅行，這种差别就会大得多。当他回来时，他会比留在地球上另一個人年轻得多。這即是被称为双生子的佯谬。但是，只是对于头脑中仍有绝对時間观念的人而言，這才是佯谬。在相对论中并沒有一個唯一的绝对時間，相反地，每個人都有他自己的時間测度，這依赖于他在何处并如何运动。
1915年之前，空间和時間被认为是事件在其中发生的固定舞台，而它们不受在其中发生的事件的影响。即便在狭义相对论中，這也是对的。物体运动，力相互吸引并排斥，但時間和空间则完全不受影响地延伸着。空间和時間很自然地被认为无限地向前延伸。
然而在广义相对论中，情况则相当不同。這时，空间和時間变成为动力量：当一個物体运动时，或一個力起作用时，它影响了空间和時間的曲率；反過来，时空的结构影响了物体运动和力作用的方式。空间和時間不仅去影响、而且被发生在宇宙中的每一件事所影响。正如一個人不用空间和時間的概念不能谈宇宙的事件一样，同样在广义相对论中，在宇宙界限之外讲空间和時間是沒有意义的。
在以后的几十年中，对空间和時間的新的理解是对我們的宇宙观的变革。古老的關於基本上不变的、已经存在并将继续存在无限久的宇宙的观念，已为运动的、膨胀的并且看来是从一個有限的過去开始并将在有限的将来终结的宇宙的观念所取代。這個变革正是下一章的內容。几年之后又正是我研究理论物理的起始点。罗杰·彭罗斯和我指出，从爱因斯坦广义相对论可推断出，宇宙必须有個开端，并可能有個终结。
第三章膨胀的宇宙
如果在一個清澈的、无月亮的夜晚仰望星空，能看到的最亮的星体最可能是金星、火星、木星和土星這几颗行星，還有巨大数目的类似太阳、但离开我們远得多的恒星。事实上，当地球绕着太阳公转时，某些固定的恒星相互之间的位置确实起了非常微小的变化——它们不是真正固定不动的2這是因为它们距离我們相对靠近一些。当地球绕着太阳公转时，相对于更远处的恒星的背景，我們从不同的位置观测它们。這是幸运的，因为它使我們能直接测量這些恒星离开我們的距离，它们离我們越近，就显得移动得越多。最近的恒星叫做普罗希马半人马座，它离我們大约4光年那么远（从它发出的光大约花4年才能到达地球），也就是大约23万亿英裡的距离。大部分其他可用肉眼看到的恒星离开我們的距离均在几百光年之内。与之相比，我們太阳仅仅在8光分那么远！可见的恒星散布在整個夜空，但是特别集中在一條称为银河的带上。远在公元1750年，就有些天文学家建议，如果大部分可见的恒星处在一個单独的碟状的结构中，则银河的外观可以得到解释。
：https://www.bie5.cc。：https://m.bie5.cc