亞里士多德和牛頓都相信絕對(duì)時(shí)間.也就是說(shuō),他們相信人們可以毫不含糊地測(cè)量?jī)蓚€(gè)事件之間的時(shí)間間隔,只要用好的鐘,不管誰(shuí)去測(cè)量,這個(gè)時(shí)間都是一樣的.時(shí)間相對(duì)于空間是完全分開(kāi)并獨(dú)立的.這就是大部份人當(dāng)作常識(shí)的觀點(diǎn).然而,我們必須改變這種關(guān)于空間和時(shí)間的觀念.雖然這種顯而易見(jiàn)的常識(shí)可以很好地對(duì)付運(yùn)動(dòng)甚慢的諸如蘋果、行星的問(wèn)題,但在處理以光速或接近光速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)卻根本無(wú)效.
光以有限但非常高的速度傳播的這一事實(shí),由丹麥的天文學(xué)家歐爾·克里斯琴森·羅麥于1676年第一次發(fā)現(xiàn).他觀察到,木星的月亮不是以等時(shí)間間隔從木星背后出來(lái).不像如果月亮以不變速度繞木星運(yùn)動(dòng)時(shí)人們所預(yù)料的那樣.當(dāng)?shù)厍蚝湍拘嵌祭@著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí),它們之間的距離在變化著.羅麥注意到我們離木星越遠(yuǎn)則木星的月食出現(xiàn)得越晚.他的論點(diǎn)是,因?yàn)楫?dāng)我們離開(kāi)更遠(yuǎn)時(shí),光從木星月亮那兒要花更長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到我們這兒.然而,他測(cè)量到的木星到地球的距離變化不是非常準(zhǔn)確,所以他的光速的數(shù)值為每秒140000英里（1英里=1.609公里）,而現(xiàn)在的值為每秒186000英里（1英里=1.609公里）.盡管如此,羅麥不僅證明了光以有限速度運(yùn)動(dòng),并且測(cè)量了光速,他的成就是卓越的——要知道,這一切都是在牛頓發(fā)表《數(shù)學(xué)原理》之前11年進(jìn)行的.
直到1865年,當(dāng)英國(guó)的物理學(xué)家詹姆士·麥克斯韋成功地將當(dāng)時(shí)用以描述電力和磁力的部分理論統(tǒng)一起來(lái)以后,才有了光傳播的真正的理論.麥克斯韋方程預(yù)言,在合并的電磁場(chǎng)中可以存在波動(dòng)的微擾,它們以固定的速度,正如池塘水面上的漣漪那樣運(yùn)動(dòng).如果這些波的波長(zhǎng)（兩個(gè)波峰之間的距離）為1米或更長(zhǎng)一些,這就是我們所謂的無(wú)線電波.更短波長(zhǎng)的波被稱做微波（幾個(gè)厘米）或紅外線（長(zhǎng)于萬(wàn)分之1厘米）.可見(jiàn)光的波長(zhǎng)在100萬(wàn)分之40到100萬(wàn)分之80厘米之間.更短的波長(zhǎng)被稱為紫外線、X射線和伽瑪射線.
麥克斯韋理論預(yù)言,無(wú)線電波或光波應(yīng)以某一固定的速度運(yùn)動(dòng).但是牛頓理論已經(jīng)擺脫了絕對(duì)靜止的觀念,所以如果假定光是以固定的速度傳播,人們必須說(shuō)清這固定的速度是相對(duì)于何物來(lái)測(cè)量的.這樣人們提出,甚至在“真空”中也存在著一種無(wú)所不在的稱為“以太”的物體.正如聲波在空氣中一樣,光波應(yīng)該通過(guò)這以太傳播,所以光速應(yīng)是相對(duì)于以太而言.相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的不同觀察者,應(yīng)看到光以不同的速度沖他們而來(lái),但是光對(duì)以太的速度是不變的.特別是當(dāng)?shù)厍虼┻^(guò)以太繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí),在地球通過(guò)以太運(yùn)動(dòng)的方向測(cè)量的光速（當(dāng)我們對(duì)光源運(yùn)動(dòng)時(shí)）應(yīng)該大于在與運(yùn)動(dòng)垂直方向測(cè)量的光速（當(dāng)我們不對(duì)光源運(yùn)動(dòng)時(shí)）.1887年,阿爾貝特·麥克爾遜（后來(lái)成為美國(guó)第一個(gè)物理諾貝爾獎(jiǎng)獲得者）和愛(ài)德華·莫雷在克里夫蘭的卡思應(yīng)用科學(xué)學(xué)校進(jìn)行了非常仔細(xì)的實(shí)驗(yàn).他們將在地球運(yùn)動(dòng)方向以及垂直于此方向的光速進(jìn)行比較,使他們大為驚奇的是,他們發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)光速完全一樣!
在1887年到1905年之間,人們?cè)?jīng)好幾次企圖去解釋麥克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn).最著名者為荷蘭物理學(xué)家亨得利克·羅洛茲,他是依據(jù)相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的物體的收縮和鐘變慢的機(jī)制.然而,一位迄至當(dāng)時(shí)還不知名的瑞士專利局的職員阿爾貝特·愛(ài)因斯坦,在1905年的一篇著名的論文中指出,只要人們?cè)敢鈷仐壗^對(duì)時(shí)間的觀念的話,整個(gè)以太的觀念則是多余的.幾個(gè)星期之后,一位法國(guó)最重要的數(shù)學(xué)家亨利·彭加勒也提出類似的觀點(diǎn).愛(ài)因斯坦的論證比彭加勒的論證更接近物理,因?yàn)楹笳邔⒋丝紤]為數(shù)學(xué)問(wèn)題.通常這個(gè)新理論是歸功于愛(ài)因斯坦,但彭加勒的名字在其中起了重要的作用.
這個(gè)被稱之為相對(duì)論的基本假設(shè)是,不管觀察者以任何速度作自由運(yùn)動(dòng),相對(duì)于他們而言,科學(xué)定律都應(yīng)該是一樣的.這對(duì)牛頓的運(yùn)動(dòng)定律當(dāng)然是對(duì)的,但是現(xiàn)在這個(gè)觀念被擴(kuò)展到包括馬克斯韋理論和光速：不管觀察者運(yùn)動(dòng)多快,他們應(yīng)測(cè)量到一樣的光速.這簡(jiǎn)單的觀念有一些非凡的結(jié)論.可能最著名者莫過(guò)于質(zhì)量和能量的等價(jià),這可用愛(ài)因斯坦著名的方程E＝mc2來(lái)表達(dá)（這兒E是能量,m是質(zhì)量,c是光速）,以及沒(méi)有任何東西能運(yùn)動(dòng)得比光還快的定律.由于能量和質(zhì)量的等價(jià),物體由于它的運(yùn)動(dòng)所具的能量應(yīng)該加到它的質(zhì)量上面去.換言之,要加速它將變得更為困難.這個(gè)效應(yīng)只有當(dāng)物體以接近于光速的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)才有實(shí)際的意義.例如,以10％光速運(yùn)動(dòng)的物體的質(zhì)量只比原先增加了0.5％,而以90％光速運(yùn)動(dòng)的物體,其質(zhì)量變得比正常質(zhì)量的兩倍還多.當(dāng)一個(gè)物體接近光速時(shí),它的質(zhì)量上升得越來(lái)越快,它需要越來(lái)越多的能量才能進(jìn)一步加速上去.實(shí)際上它永遠(yuǎn)不可能達(dá)到光速,因?yàn)槟菚r(shí)質(zhì)量會(huì)變成無(wú)限大,而由質(zhì)量能量等價(jià)原理,這就需要無(wú)限大的能量才能做到.由于這個(gè)原因,相對(duì)論限制任何正常的物體永遠(yuǎn)以低于光速的速度運(yùn)動(dòng).只有光或其他沒(méi)有內(nèi)稟質(zhì)量的波才能以光速運(yùn)動(dòng).
相對(duì)論的一個(gè)同等卓越的成果是,它變革了我們對(duì)空間和時(shí)間的觀念.在牛頓理論中,如果有一光脈沖從一處發(fā)到另一處,（由于時(shí)間是絕對(duì)的）不同的觀測(cè)者對(duì)這個(gè)過(guò)程所花的時(shí)間不會(huì)有異議,但是他們不會(huì)在光走過(guò)的距離這一點(diǎn)上取得一致的意見(jiàn)（因?yàn)榭臻g不是絕對(duì)的）.由于光速等于這距離除以所花的時(shí)間,不同的觀察者就測(cè)量到不同的光速.另一方面,在相對(duì)論中,所有的觀察者必須在光是以多快的速度運(yùn)動(dòng)上取得一致意見(jiàn).然而,他們?cè)诠庾哌^(guò)多遠(yuǎn)的距離上不能取得一致意見(jiàn).所以現(xiàn)在他們對(duì)光要花多少時(shí)間上也不會(huì)取得一致意見(jiàn).（無(wú)論如何,光所花的時(shí)間正是用光速——這一點(diǎn)所有的觀察者都是一致的——去除光所走的距離——這一點(diǎn)對(duì)他們來(lái)說(shuō)是不一致的.）總之,相對(duì)論終結(jié)了絕對(duì)時(shí)間的觀念!這樣,每個(gè)觀察者都有以自己所攜帶的鐘測(cè)量的時(shí)間,而不同觀察者攜帶的同樣的鐘的讀數(shù)不必要一致.

圖2.1 時(shí)間用垂直坐標(biāo)測(cè)量,離開(kāi)觀察者的距離用水平坐標(biāo)測(cè)量.觀察者在空間和時(shí)間里的途徑用左邊的垂線表示.到事件去和從事件來(lái)的光線的途徑用對(duì)角線表示.
每個(gè)觀察者都可以用雷達(dá)去發(fā)出光脈沖或無(wú)線電波來(lái)測(cè)定一個(gè)事件在何處何時(shí)發(fā)生.脈沖的一部分由事件反射回來(lái)后,觀察者可在他接收到回波時(shí)測(cè)量時(shí)間.事件的時(shí)間可認(rèn)為是發(fā)出脈沖和脈沖反射回來(lái)被接收的兩個(gè)時(shí)刻的中點(diǎn)；而事件的距離可取這來(lái)回過(guò)程時(shí)間的一半乘以光速.（在這意義上,一個(gè)事件是發(fā)生在指定空間的一點(diǎn)以及指定時(shí)間的一點(diǎn)的某件事.）這個(gè)意思已顯示在圖2.1上.這是時(shí)空?qǐng)D的一個(gè)例子.利用這個(gè)步驟,作相互運(yùn)動(dòng)的觀察者對(duì)同一事件可賦予不同的時(shí)間和位置.沒(méi)有一個(gè)特別的觀察者的測(cè)量比任何其他人更正確,但所有這些測(cè)量都是相關(guān)的.只要一個(gè)觀察者知道其他人的相對(duì)速度,他就能準(zhǔn)確算出其他人該賦予同一事件的時(shí)間和位置.
現(xiàn)在我們正是用這種方法來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)量距離,因?yàn)槲覀兛梢员葴y(cè)量長(zhǎng)度更為準(zhǔn)確地測(cè)量時(shí)間.實(shí)際上,米是被定義為光在以鉑原子鐘測(cè)量的0.000000003335640952秒內(nèi)走過(guò)的距離（取這個(gè)特別的數(shù)字的原因是,因?yàn)樗鼘?duì)應(yīng)于歷史上的米的定義——按照保存在巴黎的特定鉑棒上的兩個(gè)刻度之間的距離）.同樣,我們可以用叫做光秒的更方便更新的長(zhǎng)度單位,這就是簡(jiǎn)單地定義為光在一秒走過(guò)的距離.現(xiàn)在,我們?cè)谙鄬?duì)論中按照時(shí)間和光速來(lái)定義距離,這樣每個(gè)觀察者都自動(dòng)地測(cè)量出同樣的光速（按照定義為每0. 000000003335640952秒之1米）.沒(méi)有必要引入以太的觀念,正如麥克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)顯示的那樣,以太的存在是無(wú)論如何檢測(cè)不到的.然而,相對(duì)論迫使我們從根本上改變了對(duì)時(shí)間和空間的觀念.我們必須接受的觀念是：時(shí)間不能完全脫離和獨(dú)立于空間,而必須和空間結(jié)合在一起形成所謂的時(shí)空的客體.
我們通常的經(jīng)驗(yàn)是可以用三個(gè)數(shù)或座標(biāo)去描述空間中的一點(diǎn)的位置.譬如,人們可以說(shuō)屋子里的一點(diǎn)是離開(kāi)一堵墻7英尺（1英尺=0.3048米）,離開(kāi)另一堵墻3英尺（1英尺=0.3048米）,并且比地面高5英尺（1英尺=0.3048米）.人們也可以用一定的緯度、經(jīng)度和海拔來(lái)指定該點(diǎn).人們可以自由地選用任何三個(gè)合適的坐標(biāo),雖然它們只在有限的范圍內(nèi)有效.人們不是按照在倫敦皮卡迪里圓環(huán)以北和以西多少英里（1英里=1.609公里）以及高于海平面多少英尺（1英尺=0.3048米）來(lái)指明月亮的位置,而是用離開(kāi)太陽(yáng)、離開(kāi)行星軌道面的距離以及月亮與太陽(yáng)的連線和太陽(yáng)與臨近的一個(gè)恒星——例如α-半人馬座——連線之夾角來(lái)描述之.甚至這些座標(biāo)對(duì)于描寫太陽(yáng)在我們星系中的位置,或我們星系在局部星系群中的位置也沒(méi)有太多用處.事實(shí)上,人們可以用一族互相交迭的坐標(biāo)碎片來(lái)描寫整個(gè)宇宙.在每一碎片中,人們可用不同的三個(gè)座標(biāo)的集合來(lái)指明點(diǎn)的位置.

圖2.2 離開(kāi)太陽(yáng)的距離（以1012英里,1英里=1.609公里,為單位）
一個(gè)事件是發(fā)生于特定時(shí)刻和空間中特定的一點(diǎn)的某種東西.這樣,人們可以用四個(gè)數(shù)或座標(biāo)來(lái)確定它,并且座標(biāo)系的選擇是任意的；人們可以用任何定義好的空間座標(biāo)和一個(gè)任意的時(shí)間測(cè)量.在相對(duì)論中,時(shí)間和空間座標(biāo)沒(méi)有真正的差別,猶如任何兩個(gè)空間座標(biāo)沒(méi)有真正的差別一樣.譬如可以選擇一族新的座標(biāo),使得第一個(gè)空間座標(biāo)是舊的第一和第二空間座標(biāo)的組合.例如,測(cè)量地球上一點(diǎn)位置不用在倫敦皮卡迪里圓環(huán)以北和以西的里數(shù),而是用在它的東北和西北的里數(shù)（1英里=1.609公里）.類似地,人們?cè)谙鄬?duì)論中可以用新的時(shí)間座標(biāo),它是舊的時(shí)間（以秒作單位）加上往北離開(kāi)皮卡迪里的距離（以光秒為單位）.

圖2.3
將一個(gè)事件的四座標(biāo)作為在所謂的時(shí)空的四維空間中指定其位置的手段經(jīng)常是有助的.對(duì)我來(lái)說(shuō),摹想三維空間已經(jīng)足夠困難!然而很容易畫(huà)出二維空間圖,例如地球的表面.（地球的表面是兩維的,因?yàn)樗厦娴狞c(diǎn)的位置可以用兩個(gè)座標(biāo),例如緯度和經(jīng)度來(lái)確定.）通常我將使用二維圖,向上增加的方向是時(shí)間,水平方向是其中的一個(gè)空間座標(biāo).不管另外兩個(gè)空間座標(biāo),或者有時(shí)用透視法將其中一個(gè)表示出來(lái).（這些被稱為時(shí)空?qǐng)D,如圖2.1所示.）例如,在圖2.2中時(shí)間是向上的,并以年作單位,而沿著從太陽(yáng)到α-半人馬座連線的距離在水平方向上以英哩來(lái)測(cè)量.太陽(yáng)和α-半人馬座通過(guò)時(shí)空的途徑是由圖中的左邊和右邊的垂直線來(lái)表示.從太陽(yáng)發(fā)出的光線沿著對(duì)角線走,并且要花4年的時(shí)間才能從太陽(yáng)走到α-半人馬座.
正如我們已經(jīng)看到的,麥克斯韋方程預(yù)言,不管光源的速度如何,光速應(yīng)該是一樣的,這已被精密的測(cè)量所證實(shí).這樣,如果有一個(gè)光脈沖從一特定的空間的點(diǎn)在一特定的時(shí)刻發(fā)出,在時(shí)間的進(jìn)程中,它就會(huì)以光球面的形式發(fā)散開(kāi)來(lái),而光球面的形狀和大小與源的速度無(wú)關(guān).在100萬(wàn)分之1秒后,光就散開(kāi)成一個(gè)半徑為300米的球面；100萬(wàn)分之2秒后,半徑變成600米；等等.這正如同將一塊石頭扔到池塘里,水表面的漣漪向四周散開(kāi)一樣,漣漪以圓周的形式散開(kāi)并越變?cè)酱?如果將三維模型設(shè)想為包括二維的池塘水面和一維時(shí)間,這些擴(kuò)大的水波的圓圈就畫(huà)出一個(gè)圓錐,其頂點(diǎn)即為石頭擊到水面的地方和時(shí)間（圖2.3）.類似地,從一個(gè)事件散開(kāi)的光在四維的時(shí)空里形成了一個(gè)三維的圓錐,這個(gè)圓錐稱為事件的未來(lái)光錐.以同樣的方法可以畫(huà)出另一個(gè)稱之為過(guò)去光錐的圓錐,它表示所有可以用一光脈沖傳播到該事件的事件的集合（圖2.4）.

圖2.4
對(duì)于給定的事件P,人們可以將宇宙中的其他事件分成三類.從事件P出發(fā)由一個(gè)粒子或者波以等于或小于光速的速度運(yùn)動(dòng)能到達(dá)的那些事件稱為屬于P的未來(lái).它們處于從事件P發(fā)射的膨脹的光球面之內(nèi)或之上.這樣,在時(shí)空?qǐng)D中它們處于P的未來(lái)光錐的里面或上面.因?yàn)闆](méi)有任何東西比光走得更快,所以在P所發(fā)生的東西只能影響P的未來(lái)的事件.
類似地,P的過(guò)去可被定義為下述的所有事件的集合,從這些事件可以等于或小于光速的速度運(yùn)動(dòng)到達(dá)事件P.這樣,它就是能影響發(fā)生在P的東西的所有事件的集合.不處于P的未來(lái)或過(guò)去的事件被稱之為處于P的他處（圖2.5）.在這種事件處所發(fā)生的東西既不能影響發(fā)生在P的東西,也不受發(fā)生在P的東西的影響.例如,假定太陽(yáng)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?yáng)熄滅這一事件的光錐之外（圖2.6）.我們只能在8分鐘之后才知道這一事件,這是光從太陽(yáng)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(yáng)熄滅這一事件的將來(lái)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(lái)的光是在幾百萬(wàn)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(guò)去.

圖2.5

圖2.6
如果人們忽略引力效應(yīng),正如1905年愛(ài)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(méi)有東西走得比光更快.這意味著,通過(guò)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(lái)表示（圖2.7）.

圖2.7
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(shuō),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(wú)限速度來(lái)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(lái)傳遞.愛(ài)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(ài)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(guò)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2.8）.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(lái)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）.

圖2.8
太陽(yáng)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(lái)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(yáng)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(yáng)以大約每1萬(wàn)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(ài)因斯坦理論的第一個(gè)驗(yàn)證.近年來(lái),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(lái)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(yáng)的質(zhì)量的緣故,太陽(yáng)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(guò)太陽(yáng)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2.9）.當(dāng)然,如果從恒星來(lái)的光線總是在靠太陽(yáng)很近的地方穿過(guò),則我們無(wú)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方.然而,當(dāng)?shù)厍蚶@著太陽(yáng)公轉(zhuǎn),不同的恒星從太陽(yáng)后面通過(guò),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.

圖2.9
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(yáng)的光線使得人們不可能觀看天空上出現(xiàn)在太陽(yáng)附近的恒星.然而,在日食時(shí)就可能觀察到,這時(shí)太陽(yáng)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(ài)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(yáng)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(wú)知,所計(jì)算的位置將會(huì)錯(cuò)幾英里（1英里=1.609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(lái)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(méi)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(wú)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(guò)來(lái),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?同樣在廣義相對(duì)論中,在宇宙界限之外講空間和時(shí)間是沒(méi)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(wú)限久的宇宙的觀念,已為運(yùn)動(dòng)的、膨脹的并且看來(lái)是從一個(gè)有限的過(guò)去開(kāi)始并將在有限的將來(lái)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(ài)因斯坦廣義相對(duì)論可推斷出,宇宙必須有個(gè)開(kāi)端,并可能有個(gè)終結(jié).