引言
史蒂芬•霍金
几年前，全世界庆祝爱因斯坦奇迹年的一百周年纪念日。他在那一年的一系列令人吃惊的新观念，深刻改变了科学家的宇宙观，并多方面地变革了物理学。人的直觉告知我们空间是我们活动的舞台，而时间是由一台普通的钟制约的。但在1905年以及随后的10年，爱因斯坦证明，对于坐在椅子上的，在飞机上航行，在地球上和我们公转的，还有在室女座星系团某处饮茶，或者战争入黑洞的观察者，空间和时间的含义是不相同的。
爱因斯坦的思想一度使物理学界震惊。现在这些思想已被自动地纳入每位物理专业本科生学习的方程和公式之中。爱因斯坦在本文集的一篇文章中写道，只要这些思想成立，德国人称他为“德国天才”，而英国人称他为“瑞士犹太人”。但是他的思想一旦受到质疑，他写道，对于德国人而言，他就成为“瑞士犹太人”，而对于英国人而言就成为“德国天才”。爱因斯坦作为一名活生生的诙谐者印象留在他的记忆中的人还在世的已廖廖无几了。他的空间和时间相互所缠的思想今天已深深地扎根于大众文化之中，几代以来的作家都描述过。但是清晰的，且不说有趣的爱因斯坦思想的支持者总是非他本人莫属。
正如他在本卷4描述的爱因斯坦1905年的狭义相对论起源于一个简单的观察。詹姆斯•克拉克•麦克斯韦1860年代发现的电磁子理论证明，无论你是迎向还是离开一束光，光都以相同的速率接近你。这在我们日常世界的经验中是不成立的。如果你向迎头奔驰而来的列车跑离比你向它冲去能多存活几秒钟（假定你不想跳到侧面去的话）。在前一种情形，列车趋近你的速率是它的速率和你的相对于铁轨速率之差。在后一种情形，其速率为两速率之和。根据麦克斯韦理论，这同样的东西不能适用于从列车车头照明灯发射出的光。为何光速在前一种情形不显得较慢，而在后一种情形不显得较快呢？
我们用速率指的是由旅行的距离除以旅行的时间。这样，爱因斯坦意识到，如果我们对麦克斯韦理论坚信不疑，就必须改变我们时间和空间的观念。它们不是固定不变的，而要依观察者而调整，要以恰好使光速保持常数的必须方式弯曲或者拉伸。这相同的弯曲和拉伸当然意味着列车本身趋近的速率也不是我上述的简单的和或者差。但在比光速远低的速率时，爱因斯坦导出的在相加和相减时的差异只有可忽略的效应。进一步采用相同的逻辑之链还要求质量和能量等价，这正是我们能拥有原子能以及很不幸，也是原子武器的原因。
在这里找到的爱因斯坦自己的语言中比所有地方都更好地地解释了他推理的细节以及背后的简单代数。
爱因斯坦的广义相对论也起源于一个简单的观察。在牛顿的运动定律中出现了一个叫做质量的理论，以及我们空间和时间的框架。这正是爱因斯坦想要变革的探索，而本卷中的杰出工作为此探索奠定了基础。
狭义相对论和广义相对论
地球是一个稍微扁平的球体，而从地面上看，它显得是平坦的，而且在几千年的时间里一直被认为是平坦的。类似地，在欧几里德公里似乎显然是正确的意义上来讲，我们眼中的宇宙是“平坦的”；这些公理中的重要的一个是两根直线或者光束多只能相交一次。空间的这个“平坦”图象是简单，也是被爱因斯坦之前所有物理学家接受的。
爱因斯坦并没有立即推翻宇宙的平坦模型，而只不量，它确定一个物体的外力施加以加速的难易程度。使一辆重质量的卡车比使一辆质量小得很多的大众汽车获得速度要困难得多。在牛顿时代已经知道三种力：电力、磁力和引力。在牛顿运动定律中对速度改变的抵抗与被施加上何种力无关。是牛顿还发现了制约那些力中的一种即引力的定律。在该定律中还出现了另一种量，它确定一个物体在另一个物体存在时施加和接受的引力拉力的大小。这个量也被称作质量。这两个质量定义起着完全不同的作用，但它们充分理由都被称作质量：结果它们是同一个东西。为什么它们必须等同了这个问题加上爱因斯坦天才横溢的逻辑使他意识到，空间和时间的结构对物质和能量存在的反应。
爱因斯坦写道：“就象目前这样，当经验迫使我们寻求更新更坚实的基础，物理学家不能轻易屈从于哲学家对理论基础的批评性的思索，因为他本人清楚知道，并更深切感觉何处不适。”爱因斯坦并非狭窄地只对科学，而且还对科学哲学和科学语言，甚至对它的理论含义有兴趣。有关这些主题的若下文章也收录于此。而且，尽管爱因斯坦上述的言论是1936年写下的，现在仍然是物理学家寻找新基础的时期，也还是这类形而上论题正和当年一样具有直接关系的时期。
今天，在爱因斯坦把空间和时间描写成动力量之后，我们认为宇宙不仅拥有一个，而且拥有所有可能的历史。我们不仅思考弯曲的空间和时间，还研究宇宙是否具有额外的维度。我们猜测那些概念的真正意义，它们是否很好地被定义，或者只不过是近似。我们现在寻找所有力的统一过在高度、宽度和长度之外加上另一维：时间。在《狭义相对论和广义相对论》中描述了平空间中的物理学，即狭义相对论的领域。他的假设十分简单：首先，对所有以常速度运动的观察者物理定律是相同的，其次，所有这类观察者都测量到光速。艾萨克•牛顿爵士肯定会承认点，但他对第二点肯定会认为不可能。爱因斯坦得到这个结果是由于注意到，物理定律不仅在空间方向旋转下，而且在空间和时间之间“旋转”下不变。
爱因斯坦承认该理论不包括引力，因此必然是不完备的。正如在第二部分讨论的，为了修补这个，他论断道宇宙也可能是弯曲的。空间和时间的曲率有一些根本的含义：光线在围绕大质量物体时不是沿着直线，而是沿着曲线旅行。钟表处在大质量物体领近比在远处走得较以。换言之，爱因斯坦注意到，不仅空间而且时间也是弯曲的。爱因斯坦利用一套简单的“场方程组”不仅推导出牛顿提出的运动定律和引力定律，而且为解释一些直到那时还莫名其妙的现象辅平道路。
在1915年爱因斯坦发表其广义相对论之后，卡尔•施瓦兹席尔德几乎立即指出，在单独有质量物体的情形，爱因斯坦场方程可以解出。尽管当时爱因斯坦有意识到，也从未承认为，这个解描述了一个紧致的物体，从该物体甚至连光都不能逃逸：这就是我们现在称为“黑洞”的东西。现在我们相信，一些恒星作为黑洞来终结其生命，而且在大多数者不是所有的星系中心存在超大质量的黑洞。在我们自己的银河系，近的证据暗示，存在一个大约三百万倍太阳质量的黑洞。
由于光线在围绕大质量物体时被偏折，遥远星系的象在它们到达地球这里观察者路途上被畸变或者甚至变成多个。这个称作“引力透镜”的效应和弯曲的玻璃片不无相似。阿瑟•爱丁顿在1919年日蚀时看到的透镜效应是广义相对论早的观测验证之一。爱丁顿注意到一个恒星在天空的位置似乎相对于它的正常位置移动了。这个移动和给定太阳质量下由爱因斯坦预言的结果相一致。这种空间的弯曲不一定是局域的。许多当代天体物理学家关注宇宙整体的“形状”是什么样子，它是否是“平坦的”，象球那样是“闭合的”（因此有限），或者象鞍面那样是“开放的”（因此是无限的）。从威尔金孙微波各向异性探测器（WMAP）卫星近的测量暗示，宇宙是平坦的，或者巨大到无法和完全平坦区分开来。
当爱因斯坦次提出广义相对论时，他承认，他的理论预言，宇宙整体不能象过去，一直以为的那样是静止的：引力的吸引意味着，宇宙必须要么正在膨胀要么正在收缩。因此，他加上一个“宇宙常数”去平衡引力的吸引，并保持宇宙静止。1922年天文学家埃德温•哈勃通过观测测量宇宙的膨胀，这个膨胀和爱因斯坦原先理论全然一致，而和他的宇宙常数的值不一致。在这本书的附录4中，爱因斯坦对于这的发现进行了回应，并在别处表示：他人为地引进宇宙常数是他“的错误”。然而，作为有趣的尾声，在1990年代中期对遥远超新星的测量表明，也许终究存在一个宇宙常数，虽然不是爱因斯坦提出的那个数值。