廣義相對論雖然是一個復雜的理論,但它的美卻在于簡單的基本前提:質量和能量能夠扭曲時空;扭曲的時空又反過來決定質量和能量的運動。

在這里,我們將質量和能量放在一起討論,是因為它們實際上是同一事物的不同化身;一個靜止物體(例如石頭)的能量就是它的質量;一個移動物體的能量就是其質量和動能的總和。對于沒有質量的光來講,其總能量只包含單純的動能。另外,能量還可以在各種形式間相互轉化。

在成功地經受住了各種實驗和觀測的考驗之后,廣義相對論的關鍵思想已經為我們所掌握,包括:

●質量和能量會扭曲時空。

●扭曲時空中的物體將沿“最短路徑”運動。

●在扭曲的空間中,最短路徑不再是一條直線。

●光總是沿著最短路徑傳播,因此光在空間中將沿彎曲的路徑前進。

除此之外,廣義相對論也給出了一些有關宇宙整體的新奇論斷。由于空間和時間會因為質量和能量的存在而發(fā)生變化,所以整個宇宙(即全部時空)也會受到其所包含的質量和能量的影響。簡而言之,廣義相對論認為:

●宇宙在整體上將是膨脹或收縮的。

●宇宙的演化歷史——它隨時間膨脹或收縮的過程——取決于它的成分。

以上是對一個非常困難的主題給出的一個簡短的摘要,它也許會讓你覺得有點不知所云。接下來,我們不妨順著愛因斯坦的邏輯,嘗試去一步步地理解這些結論。和愛因斯坦相同,我們首先嘗試去理解光以及光在真空中的傳播過程。這個練習所給出的結果,就是大名鼎鼎的狹義相對論——在后面的討論中,我們會看到這一理論將從物理字典中刪去“同時”這個詞。之所以稱之為“狹義”,是因為這只是相對論理論的簡化版本,愛因斯坦在這一版本中完全忽略了會使事情復雜化的引力作用。(物理學家們熱衷于在理論發(fā)展的初期,將困難的部分略去,然后再逐漸加入。)在加入對引力的描述后,這一理論的擴展版自然地被稱為廣義相對論。這個完整的理論,正是我們了解宇宙的關鍵一環(huán)。