第五章 广义相对论的宇宙
从狭义（special）到广义（general）是文字上的一小步，却是人类对宇宙认识的一大步，其意义绝不亚于阿姆斯特朗在月球上跨出的那一步。这一步，爱因斯坦整整跨了10年，当他在1915年最终完成广义相对论的所有内容后，爱因斯坦自己写道：“让我好好休息一阵子，我实在是太累了。”我们是该让爱因斯坦好好休息一下了，如果说狭义相对论是他集各门各派武功之大成的话，那么广义相对论则是爱因斯坦傲视天下的独门秘笈，他是当之无愧的孤胆英雄。
爱因斯坦的不满
当时狭义相对论的思想并不是爱因斯坦独有的，我们前面提到过洛伦兹和相对论只有一步之遥，而法国数学家庞加莱也几乎是独立地写出了相对论的公式，此外还有爱因斯坦的大学导师，德国数学家闵可夫斯基也都有了相对论的初步思想。可以说，狭义相对论在整个物理界已经呼之欲出，即使没有爱因斯坦，也不会超过5年，一定会有别的“斯坦”发表相对论。但广义相对论就不同了，它几乎是爱因斯坦一个人潜心修炼的成果，如果没有爱因斯坦，我们可能今天还在等待这个理论（这句话可不是我一个人的观点哦，著名的英国科学家、小说家C.P．斯诺——不是那个去过延安的斯诺——就是持这个观点），在一本美国人写的科学史书中，广义相对论被评价为“这无疑是人类历史上最高的智力成就”。你有点迫不及待地想知道了吧，这事还得从头说起，不是一句话能搞定的。
我们的故事要从……（读者：不会吧，又要讲400年的历史？？）要从1905年开始讲起（读者：还好，吓死我了！），让我们再次回到瑞士的伯尔尼，还是那家专利局，故事的主角自然还是爱因斯坦，故事的配角仍然是我们的局长大人哈勒先生。话说爱因斯坦申请二级专利员被驳回后一直对局长有些耿耿于怀，他有些不服气，自己还刚刚在今年4月修完了苏黎世大学的博士课程（相当于现在的在职研究生），并且通过一篇流芳百世的超给力论文《分子大小的新测定法》顺利取得了博士学位（这篇论文是奇迹年5篇论文中的第二篇，据后人统计，爱因斯坦一生的所有论文中，这篇论文被引用得最多）。现在好嘛，我申请你这么个小小的二级专利员都不给批，太不给面子了吧，此处不留爷自有留爷处。爱因斯坦因此去申请伯尔尼大学的物理系讲师，准备跳槽，结果被拒绝了（此后他坚持不懈地申请了三年，直到1908年终于获得了一个兼职讲师的职位，可以捞点外块了），既然大学讲师当不成，爱因斯坦就又去申请一所中学的教师，结果很不幸的又被拒绝了，只好回到专利局继续干起了三级专利员的工作。
这一天，哈勒又走进了爱因斯坦的办公室，笑嘻嘻地对爱因斯坦说：“小爱啊，最近怎么样？又有什么新想法了没？”
爱因斯坦说：“最近很不好，很多事我想不通。”
哈勒说：“耐心点嘛，小爱，明年，明年一定提拔你。”
爱因斯坦说：“我想不通的不光是这件事情。”
哈勒说：“还有什么事？”
爱因斯坦突然意识到自己说漏了嘴，自己准备申请伯尔尼大学讲师的事情怎么能让局长知道呢，得赶紧想办法绕开去，爱因斯坦急中生智，说道：“惯性系！因为惯性系！”
哈勒说：“什么意思？”
爱因斯坦说：“我前不久告诉你的相对性原理你还记得不？”
哈勒说：“记得啊，不就是在任何惯性系中，所有的物理规律保持不变吗？我觉得很深刻，很伟大啊，这又怎么了？”
爱因斯坦说：“所有的物理规律为什么只在惯性系中才维持不变？可是我们的生活中根本不存在真正的惯性系，所有的运动没有一个是理想中的匀速直线运动，你能给我举出一个真正的惯性参考系的例子吗？”
哈勒想了想，说：“我们就用大地做参考系，这总是惯性系了吧？”
爱因斯坦说：“显然不是，别忘了我们的地球是以10.8万公里的时速绕着太阳做着圆周运动的，每个中学生都知道匀速圆周运动是一种加速运动，产生加速度的力就是太阳对地球的引力，速度是有方向的，哪怕速度的绝对值不变，只要方向在不停地变化，就是一种加速运动，所以，我们的大地根本就不是惯性系。”
哈勒恍然大悟似的说：“想想还真是这样，我们身边一个惯性系也找不到。”
爱因斯坦说：“惯性系实在是太特殊了，上帝这个老头子不应该这么偏爱根本不存在的惯性系嘛。我们在惯性系中总结出来的所有公式其实都是垃圾，有什么用呢，根本不能解决实际问题嘛，最多只能求出一些近似值而已，你如果想求出点精确值，马上就会遇到加速度这只怪兽。”
哈勒说：“那我们干脆就不加惯性系了，直接说在任何参考系里面物理规律不变，一了百了，哈哈哈。”
爱因斯坦说：“哈你个头啊哈，你说得倒是轻巧，可怎么个不变法呢？比如你坐在电梯里面，电梯加速上升的时候，你抛起一个小球，这个小球的落地时间就会跟电梯匀速上升时不一样。显然，在这个参考系里面，物理规律变了。”
哈勒说：“我只是随便说说，随便说说，你别认真嘛。”
爱因斯坦说：“但从内心深处来说，我又认为你说的是对的，物理世界应该是民主平等的世界，各种参考系都应当众生平等，惯性系不应该在这个世界中具有特权，凭什么惯性系的地位就那么特殊呢？”
哈勒见今天问不出什么新鲜玩意，也就走了。
在此后差不多两年的时间里，爱因斯坦都被这个问题折磨得寝食难安，到了第二年，也就是1906年，哈勒局长果然没有食言，把爱因斯坦升为了二级专利技术员，薪水福利都涨了。又只过了一年，到了1907年，哈勒局长不知道哪根筋搭错，又给爱因斯坦升职了，这次升为专利局一级专利员，同时爱因斯坦还拥有了更宽敞的办公室和更舒适的椅子，这下爱因斯坦的心情好多了。虽然看起来伟大的灵感往往来自于一些偶然发生的小事，但其实偶然中蕴涵着必然。某些书里说一只苹果砸到了牛顿的头上让他得到了万有引力定律，虽然这种故事的真实性经不起推敲，但确实让人觉得很浪漫、很神往。有些书里说有一次爱因斯坦看到一个工人从房顶上摔下来，让他灵光闪现解决了困扰两年的疑惑，这个故事不但不浪漫也经不起推敲。爱因斯坦自己说过当他想到那个绝妙的点子的时候，他是坐在椅子上的。笔者知道当时的情况是这样的（其实也是笔者意淫的）：爱因斯坦抽完午后一支烟，舒服地半躺在椅子上，不知不觉就进入了梦乡，他做了一个噩梦，当他从噩梦中惊醒的时候，万万没有想到，这个噩梦却造就了他“一生中最快乐的想法（爱因斯坦原话）”。
生死重量
爱因斯坦的第二个梦：生死重量！
逐渐模糊的视线，画面渐渐黑下去。
突然。
画外音：“警长，警长，快醒醒！”
画面一阵摇晃，渐渐亮起。
爱因斯坦睁开眼睛，看见很多探员围在他的周围。
“出什么事了？”爱因斯坦问。
探员罗森说：“出大事了，云霄电梯发现一枚定时炸弹，拆弹组已经赶去，目前尚不知是何人所为，有何目的。”
爱因斯坦问：“还剩多少时间？”
罗森说：“不到24小时。”
爱因斯坦说：“我们走！”
一座酷似埃菲尔铁塔的建筑物耸立在眼前，唯一不同的是一眼望不到顶，只能看到直插入云霄的塔身。塔基处挂着一行大字：云霄电梯，让你重新发现世界。
罗森说：“这是本月刚刚落成的全世界最高的观光电梯，高度达到2万米，电梯往返一趟最短用时仅需30分钟，可以同时容纳100人左右。我前两天曾经上去过一次，真是让人震撼。天气好的时候，感觉可以把整个欧洲尽收眼底，天气不好的时候，可以看到一望无际的云海包围着大地，云海里面透出阵阵闪电，如入仙境。”
两人穿过警戒线。
罗森继续说：“据初步判断，炸弹威力可能极大，方圆1公里内已经开始疏散。”
爱因斯坦问：“炸弹是怎么被发现的？”
罗森说：“今天早上维修工人对电梯做运行前的例行检查时，在电梯底部发现了这颗炸弹，吸附在电梯的底盘上，上面有一个倒计时显示器，显示为23小时20分钟32秒，他们当即报了警。”
爱因斯坦问：“你们初步估计是何人所为？目的是什么？”
罗森说：“我们的初步判断是某个极端环保主义组织所为，环保组织一直反对云霄电梯这个工程浩大的项目，但目前尚没接到任何组织或个人声称对此事负责。”
两人走到电梯跟前，通过一个楼梯下去，进入一个检修通道，在这里，抬头就能看见那颗炸弹，炸弹边上站着两位专家，其中一个正拿着一种仪器仔细地检查，另一个在拍照。
爱因斯坦抬头朝炸弹看过去，首先映入眼帘的是那个非常显眼的倒计时屏：
22:35:48
计时屏非常准确地一秒钟跳动一下。
炸弹比普通人的手掌大不了多少，呈椭圆形，金属银白色，非常光亮，人影都能照得出。爱因斯坦问其中一位正在用仪器扫描的专家：“我是爱因斯坦警长，有什么新发现？”
那人说：“你好，警长，我叫普朗克，国土安全局的首席爆破专家。这枚炸弹很复杂，是高手制作的。”
爱因斯坦说：“爆炸威力能准确地预计吗？”
普朗克说：“这枚炸弹用的是目前威力最大的C4炸药，虽然我现在还不能准确算出杀伤半径，但要把整座电梯塔炸塌是肯定没问题的。”
爱因斯坦说：“有可能拆除吗？”
普朗克说：“没有把握，这个炸弹用的防拆装置是一个精密的重力感应器，只要感应到重力的变化超过一个阀值，炸弹就会立即爆炸。炸弹是用一种特殊的胶水粘在底盘上的，如果我们想要把它和底盘分离，就必须切割，切割过程引起的震动肯定会让重力感应器超过阀值。”
爱因斯坦问：“那能不能把整个电梯拆下来，搬离现场？”
普朗克说：“我刚刚咨询过电梯制造商，这种电梯想要拆除，最快也需要花48小时，时间肯定来不及，而且也不能保证在拆除的过程中所引起的震动在安全范围内。”
爱因斯坦说：“看来，我们遇到麻烦了。”
两小时后，国土安全局总部大楼。
会议室里面坐满了人，每个人都表情严肃，一言不发，国土安全局的开尔文局长居中而坐，爱因斯坦坐在他的旁边。
开尔文说：“今天召集大家过来，是因为我们正面临一场严重的危机，需要各方拿出解决办法来。我们请负责这个案件的爱因斯坦警长做一个情况简报。”
爱因斯坦站起来，说：“各位，事情是这样，今天早上我们在云霄电梯的底盘上发现一枚威力超强的定时炸弹，一旦爆炸，不但威力会波及1公里范围内的所有建筑物，最重要的是，爆炸威力足以把云霄电梯炸塌。这么一个庞然大物如果倒塌，后果不用我多解释，绝对是个大灾难。忘了说了，现在离爆炸还有……”爱因斯坦看了看表，说，“还有20小时。关于炸弹的情况，我们请安全局的首席爆破专家普朗克先生介绍一下。”
普朗克说：“这枚炸弹里面安装了一个非常精密的重力感应装置，只要发现重力稍有变化，立即会爆炸。目前我们还在想办法拆除它，但是情况不容乐观，我们必须做好无法在爆炸前拆除的准备。”
开尔文说：“情况大家都了解了，请各抒己见，拿出办法来。”
消防局长说：“我的意见是，让电梯开上去，万一拆不除，就直接让它在顶上炸了，这样受损的范围有限。”
爱因斯坦在心里暗骂一声文盲，说：“电梯离地面越高，重力就越小，您不会连牛顿的万有引力定律都不知道吧？在上升的过程中，重力感应器就会感应到重力的变化，炸弹会立即爆炸。”
消防局长脸一红，不说话了。
建设局长说：“那么，我们是不是可以在电梯上升的过程中慢慢地加重炸弹的重量，比如，把吸铁石一小块一小块地吸附上去。”
爱因斯坦说：“没用，注意，重力感应器感应的是自身重力的变化，并不是整个炸弹的重量，往炸弹上加东西，根本不会改变重力感应器自身感受到的重力。”
普朗克说：“我补充一下，其实，根本不用等到电梯升到半空，电梯一启动，炸弹就爆炸了，因为电梯启动的时候必然会产生一个加速度，这个加速度会让重力感应器感受到一个如同重力增加的力，我们坐过电梯的人都知道，当电梯刚往上升的时候，我们会感觉自己变重了，就是这个道理。”
本来安静的会议室现在开始出现了一些骚动，大家纷纷交头接耳，但一时谁也拿不出好主意。
爱因斯坦低着头在沉思，突然他抬起头，脸上闪过一丝喜色，站起来，大声说：“大家安静，请听我说，我想到一个办法。”
会场上突然安静下来。
爱因斯坦说：“刚才普朗克先生启发了我，电梯的加速度会产生如同重力的效应，而电梯升得越高，则重力越小。请大家想一想，如果我们能精确地控制电梯的加速度，则刚好可以把重力降低的效应完全抵消，这样我们就能把电梯安全地升到顶端，然后引爆炸弹，这样我们就可以保住整座云霄电梯塔了。”
开尔文说：“爱因斯坦警长的这个方案从理论上来说可行，不过，请云霄电梯的制造商方面出来回答一下是否有可能精确控制电梯的加速度。”
一位谢顶的中年人站起来说：“我是云顶电梯公司的总工程师爱丁顿，从理论上来说，云霄电梯具备任意加速度的能力，但控制系统需要加一个控制模块，当初设计的时候没有考虑到需要如此精细的控制。”
开尔文问：“制造这个控制模块需要多久？”
爱丁顿看了看手表，想了一下说：“如果现在马上动手的话，应该能赶在爆炸前半小时左右完成，时间还来得及，不过……”
爱丁顿迟疑了一下。
开尔文说：“有话就直说，爱丁顿先生。”
爱丁顿说：“因为考虑到摩擦力和空气阻力的变化，电机必须不停地调节输出功率。但在这么短的时间内，恐怕无法做出自动控制模块，必须，必须手动控制。也就是说，必须要有一个人在电梯内手动微调参数，直到电梯升顶。不知道我是否说明白了，开尔文先生。”
开尔文瞬间明白了爱丁顿的意思，不愧是久经沙场的老将，开尔文冷静地说：“请你立即动手去制作控制模块，剩下的事情交给我们，谢谢你，爱丁顿先生。”
爱丁顿说了声是，立即三步并作两步离开了会场。
此时，整个会场鸦雀无声，所有人都明白了爱丁顿的意思。
开尔文环视全场，镇定地说：“我想大家应该已经明白了，电梯只能在加速状态下才能维持重力不变，一旦升顶后开始减速，就会立即引爆炸弹。”
会场安静得可以听见一根针落地的声音。
开尔文说：“我已经一把老骨头了，对这个世界也没有什么留恋了，让我对这个国家的国土安全再尽最后一次责任吧。”
安静，死一般的安静。
开尔文缓缓地站起来，稳稳地一步一步走出门外。
云霄电梯检修通道。
倒计时鲜红的数字：00:26:23
每跳动一下仿佛都是死神的敲门声。
云霄电梯中，爱丁顿在电梯控制面板上忙碌着，随后小心地合上面板，旋紧螺丝，面板上露出一个圆形的旋钮。爱丁顿抬起头来，面色凝重地看着开尔文，郑重地把一个手掌大小的仪表交给开尔文。
仪表上面什么按键都没有，只显示了一行醒目的数字：9.80665
爱丁顿说：“尊敬的开尔文先生，再多的语言无法表达此刻我对您的感激，这是重力常数测定仪，请您注意看仪表上的数字，如果数字增大，说明电梯加速度过大，请把旋钮逆时针转动减小输出功率。反之请顺时针旋转增大输出功率。请注意，数字必须维持在9.81和9.79之间。”
开尔文说：“相当明白了。启动电梯吧，时间不多了。”
爱丁顿庄重地朝开尔文鞠了一躬，缓缓退出电梯，此时，电梯外所有人都注视着开尔文，就像看着一个英雄。开尔文回敬了一个注目礼，沉着地说：“启动电梯。”
突然，一个人影冲进电梯，迅速抢过开尔文手里的仪表，并把开尔文往外一推，拉下扳手，开尔文一个踉跄的同时，电梯门缓缓地合上了。
在电梯门合上的那个瞬间，人人都认出来了，那个人正是爱因斯坦警长。
开尔文大怒，冲着电梯喊：“岂有此理，你怎敢这么做！”
爱因斯坦在电梯中说：“请立即启动电梯，时间已经来不及了。我已经下定决心了，电梯门我已经反锁，我再重复一遍，请启动电梯，时间来不及了。”
僵持了一段时间，尽管开尔文暴跳如雷，但也无计可施，大家心里都明白，时间一分一秒地过去，必须启动电梯了。
开尔文痛苦地对着电梯里的爱因斯坦咆哮了两声，知道已经不可能改变了，红着眼睛对爱丁顿叫到：“启动！”
电梯顶上一盏红灯变成了绿灯。
电梯无声无息地启动，刚开始几乎看不出来有任何移动，慢慢地，看出了一点点的抬升，随着时间推移，移动越来越明显。
爱因斯坦一只手按着控制旋钮，一只手拿着重力测定仪，眼睛盯着读数，不时地调节旋钮，以维持读数的稳定。
20分钟后，电梯终于接近顶端，爱因斯坦明白，电梯升顶前的减速会立即破坏炸弹上重力感应器的平衡，炸弹就会爆炸。
最后的时刻到了，爱因斯坦听到哐当一声，猛然感到自己身体一下子轻了起来，手中仪表上的数字急剧地减少。
等效原理
“啊——”爱因斯坦一声惊叫，从椅子上跳起来，他猛然惊醒，一身冷汗。
刚才的梦实在印象太深刻了，几乎历历在目。“加速度和重力等效，加速度和重力等效，加速度和重力等效……”爱因斯坦一声比一声大地念了三遍，爱因斯坦得到了他一生中最快乐的想法。此时，哈勒也走进了爱因斯坦的办公室，显然他听到了爱因斯坦的叫声。
哈勒问：“小爱，发生什么事了？”
爱因斯坦冲过去一把抱住哈勒，说：“那个问题我想明白了，哈哈，哈哈哈！”
哈勒推开爱因斯坦，问：“你说的是哪个问题？”
爱因斯坦说：“惯性系，明白了吗，惯性系。上帝这个老头子不偏心，这个世界又回到了民主的手中，所有的参考系都是平等的。现在我们可以大声宣布：在任何参考系中，所有物理规律都不变。只要在这个前面加上一个等效原理的前提即可。”
哈勒说：“我不明白。”
爱因斯坦说：“加速度和重力，也就是加速度和万有引力是完全等效的。请想一下，局长，如果你被关在一个密闭的电梯中睡着了，当你醒过来的时候，你如何区分自己是在太空中做着加速运动还是静止地待在地面上呢？你能不能用做任何物理实验的方法判断自己是静止地待在地面上还是在太空中加速上升？”
哈勒仔细想了一下，说：“好像是不能。”
爱因斯坦说：“反过来，如果你醒来的时候，发现自己漂浮在电梯中，请问，你能区分是自己在太空中失重了还是电梯在地球引力场中做着自由落体运动吗？你能用做任何物理实验的方法区分这两种状态吗？”
哈勒又仔细想了想，说：“很对，确实完全无法区分，不可能用实验的方法来知道自己的确切状态。”
爱因斯坦说：“因此说，加速度就是引力，引力就是加速度，他们在物理性质上是完全等价的，这个我把它叫做等效原理。对于任何参考系来说，我们都可以把它分解为一个在引力场中的惯性系来考虑，这样一来，所有的参考系就平等了，参考系与参考系之间就没有任何区别。比方说，你在地球上一列匀速直线运动的火车中做物理实验，我可以理解为是在一个施加了地球引力的惯性系中做实验；同样，如果我在太空中一部加速上升的电梯中做实验，假设上升的加速度刚好等于地球的重力加速度的话，那么在没有等效原理之前，我们只能认为这部电梯不是一个惯性系，但是现在，我们可以看成是在一部地球上的、静止的电梯中做实验。再比方，我们如果在地球上一部加速上升的电梯中做实验，我们也可以等效地认为是在太阳上一部匀速上升的电梯中做实验，假设电梯的加速度与地球引力之和刚好与太阳的引力相同的话。你看，有了这个等效原理后，我们可以把任何非惯性系都转换为惯性系，只要额外处理一个引力场的影响即可。”
哈勒说：“那做匀速圆周运动的参考系也能做同样的转换吗？”
爱因斯坦说：“当然可以，你想象一下现在你处在一个密闭的链子球里面，我把你甩起来，你会感到一股无形的力把你贴在外壁上，这个力就是离心力（科学地说是向心力），但是对于在密闭的球中的你来说，是无法区分这是离心力还是引力的，如果我在太空中甩这个链子球，那么你就会跟感觉在地球上静止时一样，受到同样的重力。因此，只要考虑了引力场以后，任何参考系，不论是加速还是减速直线运动，还是非直线运动，都可以分解为惯性系不变，引力在发生变化。因此，最重要的是我们要找出一个引力场方程来，在狭义相对论中，我们只研究了时间、空间、运动这三者的关系，现在我们必须再加入一个重要的对象，那就是——引力。”
哈勒若有所思地点点头，说：“我开始明白了。”
爱因斯坦为了这个快乐的想法高兴了很多天，每天都觉得思路比上一天更加清晰，在引力这条路上开始往前探索，无数的风景一下子涌过来，很多过去想也没想过的问题都接踵而至，让爱因斯坦有点应接不暇。
爱因斯坦首先通过一个思维实验很容易就得出了引力会使光线弯曲的结论。你可能觉得非常难以理解，光线怎么可能弯曲呢？我们从来也没有见过手电筒打出去的光会有任何一丝一毫的弯曲，其实那一切不过是光的速度太快，弯曲的程度太低，我们的眼睛无法察觉。我用一个思维实验很容易就可以向你证明——光，是不可能在任何时候都走直线的。
请闭上你的眼睛，跟我一起来想：现在假设你是在一部做着自由落体运动的电梯中，你会感觉到失重，所有的东西在你身边都漂浮起来。你随手从口袋里面拿出一个玻璃球，在眼前松手，你会看到玻璃球在眼前漂浮起来，你轻轻地一弹，玻璃球在你眼皮底下以匀速直线运动朝前飞去。这一切都如此正常，天经地义。
现在我是站在地面上的一个观察者，我看到的情况就完全不同了，假设电梯是透明的，我会看到什么呢？我会看到那个在你面前做匀速直线运动的玻璃球以一个抛物线的轨迹坠落。
图5-1 不同参考系的人看到的小球飞行路线不同
这个情景就如同你在运动的火车上从窗口扔出一个物体，你自己看到这个物体直线下落到地上，可是在站台上的人看来，物体是在做一个抛物线运动。
那么，再次闭上你的眼睛，还是回到那部失重的电梯中，你打开手电筒，一束光从你的手里打出去，请把这束光想象成是一个小球。请问，这束光对你而言是不是做着匀速直线运动呢？如果是，那么对于地面上的观察者——我而言，这束光就必定也是个抛物线。如果你觉得这想不通，你一定要认为地面上的我看到的光是直线，而不是抛物线。那么，如果我看到的是直线，你看到的就一定是向上弯曲的抛物线了，别忘了，你正在不停地下落呢。换句话说，我们俩不可能同时看到光走的是一条直线，要么你看到的是抛物线，要么我看到的是抛物线，只能二选一。
图5-2如果地面上的人看到的是直线，那么电梯中的人看到的就是曲线
稍稍经过思考后，所有人都会选择后者，也就是从地面上的观察者来看，光走的路线跟小球一样也是抛物线，只是光的速度太快了，这根抛物线拉得很长很长，因此弯曲度很低很低，我们的肉眼根本察觉不出来。但是我们都应该能达成共识，那就是地球的引力确实会弯曲光线。
图5-3地球的引力会弯曲经过地球附近的光线
那么显然，既然地球的引力可以弯曲光线，那么所有的引力场应当会使得光线弯曲，我们这个地球不应当有什么特权。引力越大，也就弯曲得越厉害。再根据等效原理，加速度就是引力，引力就是加速度，因此，加速度同样会造成光线的弯曲。
太空大圆盘
这个世界已经变得越来越神奇了，连光都成了弯曲的了，但又不由得我们不信。还有更神奇的，爱因斯坦用一个非凡的思维实验论证了这样一个事实：引力其实造成的是时空弯曲，也就是时间和空间同时被弯曲了。这下你的脑袋彻底晕了，你完全无法想象出时间和空间弯曲是什么概念，如果我说时间变慢，甚至说时间膨胀，空间收缩什么的，你大概都觉得还马马虎虎能想象得出来，但是这个时空弯曲实在太令人费解了。别慌，爱因斯坦这个非凡的思维实验叫做“爱因斯坦圆盘实验”。有趣啊，你心里想，前有牛顿水桶实验，后有爱因斯坦圆盘实验。还真是那么有趣，干脆我们把有趣进行到底，把Tom ＆ amp; Jerry再次请出来吧，这次让他们担任爱因斯坦的学生，跟我们的爱因斯坦先生一起来做这个思维实验，好了，可以鼓掌了。
爱因斯坦说：“欢迎Tom ＆ amp; Jerry来到我的广义相对论大讲堂，本次讲课包你们满意。”
Tom托着腮帮子说：“我讨厌上课。”
Jerry眯着眼睛说：“能再睡会儿吗？”
爱因斯坦说：“你们听我说，这堂课我们不在教室里上，我们去太空中上课，怎么样？”
Tom ＆ amp; Jerry说：“太空，哇塞，太好了，怎么去？快走快走。”
爱因斯坦说：“请你们闭上眼睛，准备好了吗？般若波罗蜜！”
Tom ＆ amp; Jerry突然感到自己漂浮起来了，睁开眼睛一看，三个人已经悬浮在漆黑的太空中了，四面八方全是星光点点。
爱因斯坦说：“现在，我需要把你们俩放到一个特殊的、非常好玩的转盘游乐机里去。”
Tom ＆ amp; Jerry说：“在哪里？在哪里？”
爱因斯坦说：“巴巴变！”
突然，三个人眼前出现了一个巨大的圆形建筑物，就好像一个超级巨大的圆形饼干铁盒。
爱因斯坦说：“这就是我们要去上课的地方，你们俩进去，因为我是这里的上帝，所以，你们俩的一切行动我都能看见，你们能听到我说的话，我也能听见你们说话。好了，现在给你们发道具，一人一只原子钟和纳米尺，这可是全世界最精确的时钟和量尺，千万要保护好。”
Tom ＆ amp; Jerry收下了钟和尺，丈二和尚摸不着头脑，完全不知道爱因斯坦教授有何用意，先进去再说，看看有什么好玩的，于是两人抓着建筑物的门框，稍一用力，轻轻巧巧的就漂进去了。
图5-4 爱因斯坦圆盘实验
爱因斯坦说：“Tom，现在请你在圆盘的内壁上就位，Jerry，请在圆盘底的圆心就位，我们的实验马上就要开始了。”
Tom说：“让我想起关小白鼠的笼子里的那个轮盘。”
Jerry说：“让我想起了我小时候最喜欢玩的东西。”
爱因斯坦说：“请注意，我马上就要把它旋转起来了，你们准备好了吗？”
Tom ＆ amp; Jerry说：“准备好了。”
爱因斯坦手一挥，整个转盘飞快地转动起来。
Tom由于是在圆盘的内壁位置，于是瞬间就感受到离心力，从我们观众的角度来看，他感受到的是离心力，但是从Tom自己的角度来感觉，他根本分不出是重力还是离心力，且看我们的Tom怎么说。
Tom说：“啊哈，我们是不是回到地球上了？我突然就感觉回到了地面，能正常走路了，只是这个地面有点不平啊。”
爱因斯坦转身面向观众，解释说：“匀速圆周运动的实质是一种加速运动，根据我的等效原理，加速度和重力是一回事，所以，你完全可以认为Tom回到了地球上。”
Jerry站在圆心的位置，所以他相对观众来说是静止的，Tom在Jerry周围一圈圈地转着，且看我们的Jerry是怎么说的。
Jerry说：“我没有感觉到任何变化，这里能见度不够，我甚至连Tom都看不到。”
爱因斯坦再次转向观众，解释说：“Jerry就好像处在引力的边缘一样，他此时仍然是悬浮在太空中的，没有受到任何引力的影响。我们用这样一个密闭的圆盘，创造了一个小小的人工引力场环境，接下来，我们就要研究这个引力场对我们的时间和空间到底造成了什么样的影响。先让我们来研究一下相对比较容易研究的时间问题。”
爱因斯坦转过身去，说：“Tom ＆ amp; Jerry，你们现在告诉我你们的原子钟的时间是多少？”
Tom说：“ 11点55分，教授。”
Jerry说：“12点整，教授。”
爱因斯坦解释说：“很好，大家请注意，Tom相对我们在运动，而Jerry相对我们则是静止的，根据狭义相对论的时间膨胀效应，运动会使时间变慢，因此，我们很容易就可以得出结论，那就是Tom的时间变慢了。但现在请大家把视角放回到Tom身上，对Tom来讲，他感觉自己并没有运动，只不过是受到了引力而已，因此Tom可以得出这样的结论：引力使得时间膨胀了。让我们继续深入研究。”
爱因斯坦对Jerry说：“Jerry，现在我要你沿着圆盘上的径线往前去一点点。”
Jerry往前挪了一点点，突然感受到了一点轻微的引力，这股引力在把他向远处拖拽，Jerry赶紧打开了绑在腰上的推进装置，以维持平衡。
爱因斯坦说：“Jerry，现在你再告诉我你的时间。”
Jerry报了一个精确的数字，爱因斯坦发现比自己的原子钟慢了1秒钟。
爱因斯坦说：“很好，Jerry你现在继续沿着径线朝前挪一点，跟刚才挪动的距离一样，再告诉我时间。”
Jerry照做，又报了一个精确的数字。
这次比爱因斯坦的原子钟慢了2.5秒。
爱因斯坦继续指挥着Jerry一点点朝前挪动，每挪一段距离，就报一个时间，爱因斯坦记下每次Jerry的时间变慢的幅度。
爱因斯坦解释说：“Jerry的时间为什么会变慢，道理很简单，Jerry一旦离开了圆心，就会产生速度，所以时间就变慢，而且他的线速度是随着离开圆心的距离不断增大的，因此他的时间变慢的幅度就会逐步增大。现在让我们构建一个笛卡尔坐标系，把X轴当做距离的变化，Y轴当做时间变慢的幅度大小，然后我们把刚才Jerry告诉我的所有数据用一个个点标在这个坐标系里面，最后我们把这些点用线连起来，我们很快就会发现，这是一根抛物线，一根完美的曲线。换句话说，随着离开圆心的距离增大，也就是引力会逐步增大，而时间会逐步变慢。但是时间变慢的幅度是一根曲线，我们可以这样理解，在圆盘上时间弯曲了，而这个小小的圆盘就是一个人造引力场，也就是说引力使得时间弯曲了。”
你禁不住鼓起掌来，太精彩了，爱因斯坦不愧是大师级人物啊，我似乎明白了时间弯曲是怎么回事了，继续继续，那空间弯曲又该怎么理解呢？
爱因斯坦说：“Tom ＆ amp; Jerry，请拿出你们的纳米尺，不要告诉我你们弄丢了，那一把尺子可要花去教授我一个月的薪水呢。”
Tom说：“教授，尺子在手里呢，让我做什么？”
Jerry说：“这把尺子真好看。”
爱因斯坦说：“Jerry，我要你现在开始量一下圆盘的半径长度。Tom你呢就给我量一下圆盘周长，就是你刚好走一圈的长度。”
不一会儿，两人都把数字报过来了，爱因斯坦用Tom量的周长除以Jerry量的半径，得出的数字发现比2π要大，这是怎么回事？
爱因斯坦解释说：“请注意，从我们观众的角度看起来，Tom由于在运动，那么根据狭义相对论，在运动方向上就会发生尺缩现象，所以Tom手里的那根纳米尺就会缩短一点点，而同时，Jerry是在沿着径线方向丈量，在这个方向上，纳米尺没有运动，自然也就不会发生尺缩现象，于是，Tom量出得来的周长就会比静止时长一点点（他必须多测量几步才能测完整个周长，而他自己仍然以为尺子的长度没变），而Jerry量出来的半径则不会变化，于是，奇怪的事情发生了，这个转动的圆盘的圆周率大于π，我们进一步想下去的话，在这个圆盘的人造引力场中，所有以Jerry为圆心的半径不同的圆都可以用同样的方法得出圆周率都大于π的这个惊人事实。观众们，你能告诉我在什么情况下一个圆的圆周率大于π吗？”
一个聪明的观众说道：“我知道，我知道。”
爱因斯坦有些惊喜：“请讲。”
观众说：“圆规的质量不过关，不小心把圆画成了椭圆的情况下。”
爱因斯坦被雷倒了：“拜托，我们这不是脑筋急转弯呢，不考虑这种意外误差情况。”
观众一脸不好意思：“那我就不知道了。”
爱因斯坦说：“如果你在一张纸上画一个标准的圆，自然圆周率是π，但是，如果你在一个篮球上画一个标准的圆，然后再去测算的话，就会发现篮球上的圆的圆周率小于π，同理如果你在一个马鞍面上画一个标准的圆，则圆周率就会大于π。观众们，我们的结论就是如果是在一个曲面上画一个圆，圆周率就不会等于π。因此可见，在圆盘引力场中，我们发现圆周率大于π，就说明了这个引力场中的空间不是平直的，是弯曲的，否则圆周率是不可能大于π的。”
图5-5 平面上的圆、球面上的圆、马鞍面上的圆
你再一次禁不住鼓起掌来，真是精彩啊，你对爱因斯坦的佩服真如滔滔江水了，其实笔者在理解了爱因斯坦的这个圆盘实验后，也是禁不住大声喝彩，这实在是一场思维的盛宴。你马上就想到：我这么抬起手来，朝空中一劈，这一招叫扭转乾坤，显然，我的手劈下去不是一个匀速直线运动，肯定是一个加速运动，那岂不是我这一招真的可以把时空给弄弯曲了？没错，你的思考完全正确，只是你这一劈造成的时空弯曲的效应要把你的手放大到整个宇宙大小才有可能被察觉到。
时空弯曲
我们把这个称为“广义相对论的时空弯曲效应”，在引力越强的地方，时空被弯曲得越厉害，也就是时间变得越慢。地面上的地球引力比在高山上的地球引力要大，所以地面上的时钟会比高山上的时钟走得慢一点。
细心的读者可能会发现这里面有个特别有趣的事情——地球是在自转的，因此离地面越高，自转的线速度就会越大，那么高山上的时钟和地面上的时钟相比，根据狭义相对论，速度快，时间就会变慢，高山的时钟要比地面上的慢，但是根据广义相对论，高山上的地球引力更小，所以时间会变快，那么到底是狭义还是广义相对论效应更显著一点呢？根据精确的计算，是广义相对论效应更加显著，高山上的时钟走得更快了，这一点也在上世纪90年代得到了实验数据的有力支持。天上的卫星也是同时受到狭义和广义相对论效应的影响，结论也是广义相对论效应更显著，因此GPS卫星上的时钟要比地面上的时钟走得更快一点。再来看看坐飞机的人，民航飞机时速一般是800到1000公里，你坐在飞机里也是同时受到了狭义和广义相对论效应的影响，那么你的时间到底是变快了还是变慢了呢？较真儿的读者还会想到，考虑到大气环流的影响，飞机相对地面的速度跟飞机自西向东飞还是自东向西飞有关。是的，没错，根据精确的计算，发现以飞机的时速考虑的话，如果是顺着大气环流方向飞，你的时间会变慢，反过来如果逆着大气环流的方向飞，你的时间就会变快。
1971年，我们两位可敬的美国科学家，一个叫Hafele，一个叫Keating，他们带上了全世界精度最高的铯原子钟（这种超精确钟600万年才会误差1秒）先后两次从华盛顿的杜勒斯机场出发，乘上了一架环球航行的民航客机，一次是自西向东飞，一次是自东向西飞，飞行高度9000米左右，飞行时速800公里左右，环球飞行一次花了65小时，一次花了80小时，落地后他们与地面上的铯原子钟进行了比较，实验数据与相对论的计算结果吻合得几乎完美。因此，你记住结论，以后从中国飞美国就会年轻一点（不考虑从北极走的那条航线），从美国飞中国就会老一点，看来坐飞机能让你变得年轻还真不是假的。不过英国的大物理学家霍金指出：吃飞机餐对你寿命的损害要远远大过相对论效应（参见霍金《果壳中的宇宙》）。有读者提出要求说，把广义相对论的时间变化的公式告诉我嘛，我以后就可以自己算了，多好玩。很抱歉，广义相对论的公式都是微分方程（为什么是微分方程，因为引力是一个随着距离不断变化的值，这种不断变化的量，我们知道必须要用到强大的、头晕的、天书般的微积分来处理，爱因斯坦当年为了弄出引力场方程，还特别去大学里学习了一年的微积分呢），所以你必须把微积分学得很好才会计算，像笔者这样早就把微积分还给老师的人就跟看天书一样，而且我前面有过保证，不再出现任何公式来刺激读者了。
还记得我们上一章结束的时候我提出的第一个问题吗？现在有了广义相对论的基础概念，我们就可以来研究一下了，让我们再回顾一下这个问题：
想象一下，爱因斯坦和哈勒各自驾驶着一艘同一型号的宇宙飞船在黑漆漆的太空相遇。在爱因斯坦的眼中，哈勒的飞船最开始是一个小亮点，然后越来越大，最后以高速从他身边飞过，一转眼就不见了，爱因斯坦心里想，根据狭义相对论的时间膨胀和空间收缩效应，哈勒的时间过得比我慢，哈勒的飞船相对我的飞船缩小了。但是，让我们跑到哈勒那里，在刚才那起相遇事件中，哈勒看到爱因斯坦的飞船最开始是一个小亮点，然后越来越大，最后以高速从他身边飞过，一转眼就不见了，哈勒心里也在想，根据狭义相对论的时间膨胀和空间收缩效应，爱因斯坦的时间过得比我慢，爱因斯坦的飞船相对我的飞船缩小了。亲爱的读者，请问，他们到底谁比谁的时间变慢了？谁比谁的飞船缩小了？
我们先来研究一下谁的时间慢的问题。为了把这个问题研究清楚，我们首先要想一个能比较两个人时间的方法，你同意吗？这不是废话嘛，你出于对我的礼貌，不便直接骂我有病。比较两个人时间的方法还不简单，两个人一对表，谁快谁慢不是一目了然吗。但我们现在说的是两艘相对飞过，且越飞越远的飞船，不是并排坐着的两个乘客。那不是也很简单吗，一个人打个手机……（你突然意识到可能手机没信号）发个电报给另一个人，告诉他自己是几点了，另一个人看看表也就知道谁快谁慢了，难道不是吗？你的主意很不错，我非常赞同，那就让我们来模拟一下吧。
现在爱因斯坦坐在飞船的驾驶室里面，开始呼叫哈勒：“哈勒哈勒，我是爱因斯坦，当你接下来听到‘嘀’的一声时，表明我这里是12点整，一切正常。请立即回报你的时间。”
爱因斯坦认为只要哈勒听到“嘀”声的时候，看看表，就能确定到底是谁的时间更慢了。
可是，亲爱的读者们，大家千万不要忘了，信号传递不是瞬时的，信号的极限速度是光速，因此，当爱因斯坦发出“嘀”的一声时，哈勒什么时候听见取决于他们两艘飞船之间的距离。但不管怎么说，我们可以肯定的是哈勒在听到嘀声时，爱因斯坦的手表肯定是过了12点了。过了几秒钟，爱因斯坦收到了哈勒的回报：“爱因斯坦，我于12点05秒听见“嘀”声，当你听到我下面发出的“嘀”声时，是正好12点15秒。”爱因斯坦当听到“嘀”的一声后迅速地记下了听到“嘀”声的时间是12点25秒。但是爱因斯坦马上就发现，靠这个时间无法证明哈勒的钟走得是比我的慢还是快，还得扣除信号在中途传递的时间。于是，爱因斯坦迅速拿出计算器，开始欢快地计算起来，结果他惊讶地发现，信号传播的时间居然超过了5秒钟，也就是说，哈勒是在12点05秒才听到了“嘀”声，哈勒会自然地认为爱因斯坦的表走慢了，但是一旦扣除信号传递的时间后，爱因斯坦仍然认为哈勒的表走得更慢。当哈勒给爱因斯坦回报“嘀”声时，他们俩之间的距离进一步加大，再计算一下信号传播的时间，对比一下爱因斯坦收到“嘀”声的时间，爱因斯坦得出的结论也是哈勒的时间走得比爱因斯坦的时间慢。但问题是哈勒此时仍然认为爱因斯坦的时间更慢，哪怕他再次收到爱因斯坦报告的时间，哈勒总是要在爱因斯坦报告的时间之后才能收到。不好意思，我知道你的脑子开始有点发蒙了。我只想说一点，在以往我们完全不会考虑的信号传递时间居然在这个比对时间的游戏中起到了决定性作用。再进一步计算，我们会发现，随着速度的增加，信号传递的时间总是要大于相对论效应拉慢的时间。也就是说，在这个游戏中双方完全处于对称的地位，一方的计算完全可以想象成是另一方的计算，最后如果你经过一番仔细的计算和论证，你会得出一个惊人的结论：尽管看起来像一个悖论，但是无论爱因斯坦和哈勒用什么方法对比时间，他们都会得出同一个结论，那就是对方的时间变慢了。
疯了，你大声叫到，这完全没有道理嘛，我不想看你上面啰啰唆唆的一大堆，我就用一个最简单也最可靠的办法可以不，让他们俩见面，把两个人的表并排放一起，谁快谁慢不就一目了然了吗？
我没意见，这确实是个好办法，但是首先我们必须决定一下是让谁掉头去见另一个。“让哈勒那家伙去见爱因斯坦。”你不耐烦地说。OK，现在就让哈勒先生减速，掉头，然后加速追上爱因斯坦。亲爱的读者，注意到没有，如果要让哈勒去见爱因斯坦，就必须要让哈勒减速再加速，于是广义相对论的时间膨胀效应在哈勒那里急速地显现出来。让我们假设他们分开的相对速度是光速的99.5％，哈勒掉头后仍然以这个相对速度去追赶爱因斯坦。等他追上爱因斯坦的时候，哈勒觉得用了6年的时间。6年前的情景历历在目，哈勒激动地跟爱因斯坦问好，但是爱因斯坦却已经老了60岁，爱因斯坦要苦苦追寻自己60年前的记忆，回想他们相对而过的那一刻。如果你要求爱因斯坦去见哈勒，那么情况也是一模一样的。因此，最后的结论又是如此的让人啼笑皆非：谁要想去见另外一个人，谁就会变得更年轻，换句话说，谁要是掉头去追另一个人，就是在向着对方的未来前进。
理解了这个时间快慢的问题，再来思考谁的飞船缩得更小的问题也就很容易了。答案就是只要他们有相对速度，那么从任何一方看来，对方都缩小了，但一旦他们速度一致可以放在一起比较的时候，他们的长度又变成完全一模一样了。
此时，我们第二个关于双胞胎兄弟孰老孰少问题的答案也就水落石出了，你乘着宇宙飞船飞离地球而去，只要你还在匀速飞行，你们兄弟俩个都很欣慰，互相都知道对方跟自己相比，越来越年轻了，但是一旦你想返回地球，在返回掉头的那个时候，时光开始飞逝，你的弟弟对你而言就迅速地老去。
不看不知道，世界真奇妙！你发出了一声由衷的感叹。我跟你有同感。
引力的本质
引力，这正是广义相对论所要研究的核心问题，关于引力的话题我们还要深入地讲下去，这趟旅程比你能想象到的还要出人意料。引力这东西到底是什么，我们看不见它，摸不着它，但它又无所不在。从你有记忆的第一天起，你就能记得自己是怎么走在路上跌倒，又是怎么费力地爬起来，当你开始逐渐长大，你丢沙包，打篮球，一头扎进水里游泳，这一切都让你无时无刻不在感受着地球的引力。再长大一点，你开始明白潮起潮落的原因是月球的引力影响了海水，有一天，你终于抬头好奇地注视着浩渺的星空，日月星辰、斗转星移，你能看到的宇宙中的一切无不被引力这双无形的大手控制着。你是否跟牛顿一样好奇过，这引力到底是什么？牛顿认为，引力就像一根无形的线，牵连着宇宙中的所有物体，从牛顿优美的万有引力公式我们可以看到，引力的大小跟物体的质量成正比，跟距离的平方成反比。我们地球正是被一根从太阳上拉出的无形的线所牵引着，绕着太阳做着有规律的圆周运动，就好像我们甩一个链子球一样。按照牛顿的公式，如果太阳突然爆炸了，那么太阳的质量瞬间降为零，引力的大小也会瞬间降为零，就好像这根线突然断掉了，那么地球就应该瞬间被甩出去，这就叫引力的超距作用。也就是说，在爱因斯坦之前，人们一直认为引力的互相作用是瞬间产生的，不管距离有多远，只要质量发生变化，引力的大小也立即跟着发生变化。
爱因斯坦对这个观点产生了严重的质疑，根据狭义相对论证明，没有什么信号或者能量的传递速度能超过光速。如果太阳突然爆炸了，地球最快也要在八分钟后才能得知真相，引力的传播也绝不能逾越光速这个极限。如果引力真是可以超距作用的话，那么就可以靠有规律地改变质量的大小来向远方传递信息，就跟莫尔斯电码一样，这显然违反了狭义相对论的基本推论。牛顿肯定错了，但是，如果不是牛顿所说的看不见的线，引力又到底是什么呢，为什么它可以隔着遥远的真空而相互作用？
爱因斯坦点燃一根纸烟，陷入了深思。引力可以引起光线的弯曲，光为什么会弯曲？因为光要走最短的路径，在一个弯曲的空间里面，光的最短路径看起来就像一条曲线，就好像我们在一个皮球上的两点间画一条最短的线，它看上去就是一条曲线。既然光总是要走最短的路径，物理规律都是一样的，一个扔出去的小球是不是也应该走最短路径呢？我想应该是的，如果没有地球引力，这个小球就会沿着直线一直飞下去。现在有了地球引力，这个小球走了一个抛物线路线径在了地上，它的运动轨迹是一根曲线，那么，我觉得这根曲线就应该是小球认为的在这个空间中的最短路径，我们这个空间是被地球引力包裹的空间。所以，对了，就是这样，引力的实质并不是一种力，只不过就是空间弯曲的外在表现而已，没有什么无形的线，只有弯曲空间这个实质。我们的宇宙空间就好像一张张开的大网，地球就压在这张网上，网被压得凹陷了下去。
图5-6 地球使得周围的空间弯曲
就好像我现在坐在沙发椅上，我的屁股底下凹陷了一块。这个凹陷的比喻和图示都非常粗糙，只是一种近似，你千万不要认为空间真的就是这么凹下去的。实际上，三维空间是在所有的维度上都弯曲了，以我们人类有限的想象力，是很难把它真正的形象化的，更不用说要让人把它在一张二维的纸上画出来了。但不管怎样，有这么一个比喻总比没有这个比喻好，虽然结果可能会让这个世界上的少数聪明人更晕菜，但好处是会让大多数普通人突然理解了时空弯曲。
我们在地球边上被压凹陷的网上放一个玻璃球，这个玻璃球当然会滚落到凹陷的最深处，直到和地球碰在一起。如果我们从远处贴着网朝地球打一个玻璃球出去，当玻璃球滚到凹陷的地方时，如果速度不够，就会绕着地球一圈圈地滚，越滚越深，最后和地球撞在一起。但如果玻璃球的速度足够快，它就会滚到凹陷的地方下沉一下，然后在另一头出来，在凹陷的地方的轨迹看上去就是一根曲线。
图5-7玻璃球走过的最短路径看上去像一根曲线
我的这些想象和真实世界中的一切都是如此的吻合，流星划过地球的轨迹就是一根曲线，如果流星速度很快，就会划过天际，掠过地球而去。如果大网上的地球质量变化了，就好像这个球在网上抖动了一下，于是下陷的深度就会产生变化，这个深度的变化会从中心迅速地传递出去，但是不可能瞬间抵达边缘，必然会有一个传递的过程，就好像卷曲的空间起了一个波澜一样，这个波澜的传递速度也是光速。这个波澜，可以称之为引力波，引力波的传播速度也是光速。
引力波，多么动人的一个词，如果引力波真的存在，它就是宇宙空间中的涟漪，靠着时空的卷曲在宇宙中震荡。自从爱因斯坦预测引力波的存在以来，近100年来，人类一直在致力于通过实验捕捉来自宇宙空间中的引力波，这个努力延续了将近100年，很遗憾的是，我们至今尚未成功地探测到引力波。不过好消息是，耗资数百亿美元的人类迄今为止最大的引力波探测器LISA有望在2018年开始工作，这个探测器将被部署在太空中，由三个绕着太阳运行的航空器组成。
图5-8引力波探测器LISA的效果图
当爱因斯坦有了引力的实质是空间的弯曲这个想法后，他并没有急于写论文向外界公布，因为爱因斯坦深知，如果他的假想不能提出有力的实验证据的话，没有人会相信他。要能被实验证实，就首先要设计一个实验，而且这个实验的结果要能根据自己的理论预测出来，最后如果实验的观测数据和理论预测的数据完全一致的话，那么这个理论才能站得住脚，被科学界所接受。爱因斯坦知道，真正的挑战来了，第一步，他要能找到计算空间弯曲程度和引力大小的关系公式，然后才可以再谈什么实验，否则一切都是空中楼阁。为此，爱因斯坦开始潜心学习微积分的知识，同时，为了能够掌握曲面上的几何学知识，他专程去大学深造了一年，深入学习黎曼几何。在平面上的几何学是由欧几里德开创的，就是我们中学都学过的欧式几何，但是如果是球面上的几何，就无法用欧式几何来计算了，比如你在篮球上画一个三角形，它的内角和就会大于180度，你在篮球上画一个圆，周长和直径比也不再是π，研究曲面上的几何问题就需要用到德国数学家黎曼创立的黎曼几何学知识。爱因斯坦在打通了狭义相对论的三脉神剑后，继续朝着打通六脉的目标潜心修炼，光有了广义相对论的思想还远远不够，关键是要用数学的语言描述出来才行，科学界通行的语言是数学。
终于在1915年，爱因斯坦打通了剩下的三脉，六脉神剑大功告成，此时的爱因斯坦已经掌握了强大的数学工具，他已经能精确地推算引力对空间造成的弯曲程度是多少了，且看爱因斯坦是如何设计那个将在4年后震撼全世界的著名实验的，这简直是一个梦幻般的实验，他的视觉震撼力绝不亚于大卫·科菲波尔的神奇魔术，爱因斯坦将一战成名。别走开，整点新闻之后马上回来。
水星轨道之谜
下面是今天的整点新闻。
主持人：“各位听众，爱因斯坦先生近日宣布，他解决了困扰世人长达100多年之久的水星运行轨道之谜，这一事件引起了天体物理学界的热烈反响。不过，对我们大多数普通人而言，都不知道什么是水星轨道之谜。我们今天有幸请到了著名的天文学家爱丁顿先生作为嘉宾，请他来给我们简单介绍一下这方面的相关知识。”
爱丁顿：“好的。自从开普勒的行星运动三定律和牛顿的万有引力定律被发现后，人类已经可以精确地计算天体运行的轨道。总的说来，太阳系里面的行星都是绕着太阳运行，运行轨道不是一个标准的圆形，而是一个椭圆。为什么是椭圆呢？因为……”
主持人：“爱丁顿先生，可以跳过这段解释，大多数听众并不需要知道理论细节。”
爱丁顿：“好，简而言之，行星绕太阳运行的轨道不但受到太阳引力的影响，还受到太阳系中所有天体的影响，只是影响力有大有小，最终的轨道是一个椭圆形，在运行到离太阳最近的地方，我们称之为近日点，最远的地方叫做远日点。水星是距离太阳最近的一颗行星，几百年来，我们对水星积累了大量的观测数据。早在100多年前，天文学家就发现水星的近日点位置与理论计算值有轻微的差异，每个水星年的近日点居然都不是在同一个位置。刚开始，人们以为是观测精度导致的，但是随着观测手段越来越先进，观测精度逐步提高，反而越来越明确了这个差异的存在，这100年多来的观测结果是水星的近日点已经运动了43秒（1秒＝
度）。这就很让天文学家感到费解，于是人们就推测在水星附近还有一颗我们尚未发现的行星，这颗未知行星的引力影响了水星的运行轨道。但是，这100多年来，我们始终未找到这颗神秘的未知行星，事实上我早就不相信有这么一颗X行星的存在了，水星附近的空间对我来说早就像我家的后花园一样，一草一木尽收眼底，但如果不是一颗未知行星影响了水星的轨道，又是什么影响了水星的轨道呢？这就是水星轨道之谜，我们学界一般称之为水星的近日点进动问题。”
主持人：“谢谢爱丁顿先生，那么最近爱因斯坦宣布他解决了这个问题，又是怎么回事呢？”
爱丁顿：“爱因斯坦先生认为并没有任何东西影响了水星的轨道，原因很简单，我们之前的理论不够精确，用粗糙的理论自然只能计算出粗糙的结果。”
主持人：“原来是这样，那么爱因斯坦先生的理论又是什么呢？”
爱丁顿：“爱因斯坦先生在10年前发表了狭义相对论，最近又发表了他的广义相对论。说实在的，他的理论看起来有一点疯狂，也非常挑战人们的想象力。爱因斯坦在10年前说运动会使时间变慢，已经够疯狂的了，最近他又说引力会弯曲时间和空间，太阳的引力很强，离太阳越近，则时空被弯曲得越厉害，水星因为离太阳很近，尤其是在近日点的时候，这个时空弯曲效应产生的后果已经达到了能够被观测到的程度。根据他那晦涩难懂的方程式，由他的新理论计算出来的水星近日点的位置和观测数据符合得非常完美。”
主持人：“坦率地说，我无法理解什么是时空弯曲，我相信大多数听众也跟我一样无法理解，但我们现在知道爱因斯坦发明了一种新理论，修正了开普勒和牛顿的理论，可以解释水星的进动问题，我这样理解对吗？”
爱丁顿：“完全正确。”
主持人：“那这么说，爱因斯坦的新理论是正确的？”
爱丁顿：“我相信这个理论，但是也有不少反对的声音。”
主持人：“现在有一位听众打电话进来，让我们来听听这位听众的高见。”
听众：“我认为，虽然爱因斯坦的方程式计算出了水星的进动现象，但是，这不能证明爱因斯坦的理论就是对的，这是典型的事后诸葛亮行为，先有了大量的观测数据，然后爱因斯坦根据这些数据凑出了一个公式而已。时空弯曲之类的鬼话谁能相信呢？请问主持人，你见过一束弯曲的光线吗？”
主持人：“我们谁也没有见过，谢谢这位听众的参与。因为时间关系，我们今天的整点新闻就播送到这里，下一整点再见。”
整点新闻结束。
星光实验
下面就请爱因斯坦先生来给我们介绍一下这个伟大的实验吧，鼓掌。
爱因斯坦说：“谢谢大家。我给大家带来的这个实验叫做星光实验，有些魔术家可以把飞机瞬间挪动位置，而我，要把星星挪动位置，并且，这不是魔术，是真实的世界。
“首先我们找一个晴朗的夜晚，给某一块星空拍一张照片，我们会看到很多星星彼此靠得很近，我们可以把他们彼此之间的距离给量出来。我们都知道恒星之所以叫恒星，就是因为它在天上的位置相对于地球是不动的，也就说每年地球运行到同一相对位置时，这幅星空的照片应该是完全一致的，星星之间的距离也应该是完全相同的。地球绕着太阳做着圆周运动，那么每年地球都会有两次机会和恒星的相对位置保持一致。也就是下图的位置A和位置B，由于恒星离我们非常非常遥远，所以在位置A和位置B拍出来的同一块星空也是完全相同的，至少以人类目前的观测精度，是无法发现差异的。
图5-9 每年地球在位置A和位置B相对于恒星的位置是完全相同的
“但是，请大家注意，下面是我要说的重点。当地球在位置B时，与在A位置相比，有一个巨大的不同，那就是太阳挡在了中间，根据我的广义相对论，太阳的引力是如此之大，使星光经过太阳时发生了弯曲，从而使我们在B位置观察到的那些离太阳比较近的恒星的‘视’位置发生可以观测到的改变，那么怎么检验恒星的位置发生了改变呢？我们只要测量离太阳很近的恒星与其他离太阳很远的恒星之间的距离即可，在位置B处的星空照片和在位置A处的星空照片相比较，我们会发现，恒星之间的距离发生了变化，这就好像魔术师把星星挪了一个地方一样，请看下面这张示意图：
图5-10太阳的引力使星光偏转，恒星的视位置发生了位移
“我们可以发现，离太阳近的恒星的视位置会朝着远离太阳的方向偏这么一点点，这一点点是多少呢，根据我的计算，这一点点是1.7秒。（观众开始发生躁动的现象）大家安静，我知道你们心中的疑惑，当地球处在B位置的时候是根本无法看到恒星的，因为是白天，谁也无法在白天看到星星。可是，大家千万别忘了，有一个特殊的时刻，可以在白天看到星星，那就是当日全食发生的时候。我希望天文学家们别闲着，在下次也就是1919年日全食来临的时候，验证我这个伟大的预言。”
（爱因斯坦在《相对论浅说》中的原文是这样的：尽管光线穿过引力场时其曲率极其微小，但是当星光掠过太阳时，其曲率的估计值达到1.7秒，这应该以下述的方式来证明：从地球上观察，某些恒星与地球相隔并不遥远，因此他们在日全食时能够加以观测，当日全食时这些恒星在天空中的视位置与非日全食时相比，应该偏离太阳。这一个极其重要的推断，它的正确与否，希望天文学家能够早日解决。）
爱因斯坦提出的这个星光实验是具有非凡意义的，为什么爱因斯坦自1905年发表狭义相对论直到1915年发表广义相对论以来，10多年，在科学界一直得不到广泛的认同和重视呢？关键的原因在于，之前提出的所有推论都无法用实验来验证，无论是时间膨胀也好还是空间收缩也罢，以当时的实验精度来讲，都是不可能测量出来的。但是这个星光实验就不一样了，这是当时能够达到的观测精度，是一个可以真实去做的实验，而爱因斯坦对这个实验的预测在那个时代绝对可以用“疯狂”两个字来形容，时空弯曲这四个字毕竟对于大多数常人来讲是无法想象的，也是难以理解的，现在，居然可以让人们真实地看见时空弯曲所产生的效应，这实在是有一种梦幻般的感觉。
爱因斯坦的“皇榜”已发，且看哪位英雄来揭榜。
爱丁顿（Eddington, 1882-1944），英国的大天文学家，只比爱因斯坦小3岁，爱因斯坦的第一个粉丝，他信相对论，决定去完成爱因斯坦交给天文学家的这个使命，验证星光实验的预测是否正确。最近一次日全食将在1919年到来，当时，第一次大战还没有完全结束，世界各地都还有未尽的战火，但是爱丁顿这些科学家们已经等不及了，毅然决定冒着一战的炮火奔赴日食发生地去观测。特别有趣的是，英国和德国是一战中的敌对国，爱丁顿是英国人，爱因斯坦可以被认为是德国人（他拥有德国国籍，出生并长期生活在德国），于是我们看到一个英国人为了证明德国人的理论不惜远征万里，为战后两国修好做出了巨大贡献。为了使观测的误差降低到最低，同时也为了取得更多的公信力，爱丁顿以他的号召力还邀请到了很多出名的天文学家，比如柯庭汉、克罗姆林、戴维森等，他们分成了两个远征观测队，一个队远赴巴西的索布拉尔，另一个队由爱丁顿亲自率领远赴西非的普林西比岛。1919年5月29日，日全食如约而至，虽然当时天公不作美，两支远征队都遇到了阴天，但是在最关键的时刻还是拍到了至少8颗恒星的照片。他们把照片带回英国后，和半年前拍摄的照片仔细比较，经过长达5个月的数据分析，同时邀请了全世界的天文学家齐聚英国皇家研究所一起分析与计算，最后，他们宣布，爱因斯坦的理论得到了完美的证实，观测值与理论计算值吻合得非常好。“这是一次彻底而满意的结果。”爱因斯坦自己说。
星光实验的成功，让爱因斯坦瞬间走红全世界，真可谓是一战成名。全世界的记者蜂拥而至，镁光灯乱闪，全球的各大报纸争相报道，英国的《泰晤士报》刊出头版大标题“科学革命——宇宙新理论——牛顿理论大崩溃”。最可爱的要属美国人了，《纽约时报》不知道出于什么原因，派出一个专门采访高尔夫球赛的记者去采访爱因斯坦，结果这个“科盲”记者几乎把所有的知识都搞错了，并且错得离谱，最后文章居然还发表了，据说这是美国人接受相对论比别的国家较晚的原因之一。
没见过这么黑的洞
宇宙的神秘面纱被轻轻掀起了一个小角，人类就像一个好奇的小孩小心翼翼地往里面瞄了一眼，顿时从头震撼到脚。但是各位亲爱的读者，你仅仅是看到了真相的冰山一角，后面的风景才将真正挑战你思维的极限，让我们顺着时空弯曲这条道路继续往下，看看还有什么惊人的推论在前方。
通过水星进动现象和星光实验，我想我大概已经让你相信引力确实可以弯曲空间了。那么让我们顺着这根线索不要停止思考，继续深入下去。什么东西产生引力？对，是质量。质量越大，引力越强；引力越强，空间弯曲得越厉害。请把我们的宇宙空间想象成一张细密的网，任何有质量的物体就像一个球放在这张网上，这个球质量越大，体积越小，则在这张网上下陷得也越深。刚开始只是像一个小小的凹陷坑，但是随着下陷的深度越来越大，就会越来越像一个空间中的“洞”。
图5-11质量越大的物体在空间上造成的洞越深
任何掉进这个洞里面的东西想要出来，就好像井下的青蛙想要跳出来，就必须要达到一个能逃出来的最低速度，这个速度我们称之为逃逸速度。地球也会在宇宙空间中形成一个“洞”，不过地球质量很小，充其量也就是像沙滩上的一个屁股印，那么能够从地球上逃逸出去的速度是多少呢？这个在牛顿时代人类就会计算了（当时的人类并不知道引力是空间弯曲这个概念，当然更不可能有什么洞的概念，但是从研究运动和力的关系出发，同样能计算出逃逸速度），是11.2公里／秒，这也叫做第二宇宙速度，这个速度大约是民航客机速度的40倍，所以要发射卫星到太空去用飞机是不行的，非得用火箭才行。逃逸速度的值取决于天体的质量和半径这两个参数，所以用个形象思维就是一个同样重量的木球和铁球，因为铁球的体积要小得多，所以造成的洞就会深得多，因此要从这个洞中逃出来的速度也会大得多。大家想想，宇宙中跑得最快的东西是什么？上一章已经说过了，那就是光，没有什么东西比光的速度还快。那么有没有一种可能，这个洞是如此之深，逃逸速度比光速还要大，那么就意味着连光都休想从洞里面逃出来，那也就没有任何东西能从这个洞里面逃出来了，如果真有这样的洞存在，那么这个洞可真够黑的，永远是只进不出。德国天体物理学家史瓦西（Schwarzschild,1873-1916）首先开始思考这个问题，他也是爱因斯坦的粉丝之一，他仔细研究了广义相对论，通过广义相对论的引力场方程计算出来了名垂千古的“史瓦西半径”（史瓦西自己当然不会给这个半径取名叫史瓦西半径，这里先提前借用一下，如果我是史瓦西，宁可不要用我的名字命名，看到后面就知道了）。他的意思是说任何天体都存在这样的一个半径临界值，如果小于这个半径，那么它在宇宙空间这张网上抠出的这个洞就会成为一个名副其实的“黑洞”（黑洞这个词的正式出现一直要到1967年，笔者为了表述方便，提前借用，对严谨的学者们说声抱歉），这个半径的大小取决于天体的质量。史瓦西计算出来，说如果太阳的半径缩小到3公里的话，那么太阳就会成为一个黑洞，什么光也发不出来了，他还说如果把地球压缩到半径只有9毫米的话，那么地球也可以变成一个黑洞，任何物体，只要有质量，压缩到史瓦西半径以内，都会成为一个黑洞。史瓦西半径一公布出来，立即引起了包括爱因斯坦在内的很多天文学家和物理学家的兴趣，吸引了一大批科学家去深入研究这个恐怖的黑洞，只是我们可怜的史瓦西先生在算出史瓦西半径的当年就死于意外，年仅43岁，真是科学界的一大损失，为了纪念他，就把这个天体要成为黑洞的临界半径称之为史瓦西半径。
图5-12 黑洞原理
黑洞在一开始出现的时候，仅仅是作为一个方程的解存在的，也就是说黑洞仅仅是一个数学概念，宇宙中到底有没有这样恐怖的洞存在，谁也不知道，因为既然是黑洞嘛，就是完全不发光的，那么天文学家当然也就认为黑洞是永远无法观测到的。不过后来随着研究的深入，人们渐渐发现其实黑洞也是能观测到的，并且有很多方法。比如，黑洞虽然是全黑的，但是它的质量和引力是实实在在的，引力产生的空间弯曲效应可以通过观测它旁边的星光的扭曲来验证，黑洞就好像一个透镜一样，在宇宙中运动的时候，边上的星光都会被扭曲变形。再比如，黑洞如果与一个恒星相遇，则这颗倒霉的恒星会被黑洞一点点地吞噬掉，那个景象就好像一只猫在玩一个毛线球，把毛线一点点地抽出来一样。再到后来，英国大科学家霍金研究发现，黑洞其实不是全黑的，黑洞的两极会发出巨大的辐射流，当然这些辐射不是可见光，但是用射电望远镜可以检测到这些辐射流。所有上面说的这些方法都已经在这最近的几十年来被天文望远镜所证实，为了便于大家直观理解，我们来看一些经过艺术加工和夸张后的黑洞的图片：
图5-13方法一：这个就是黑洞的透镜效应
图5-14方法二：被黑洞吞噬的恒星
图5-15方法三：喷出巨大辐射流的黑洞
黑洞是广义相对论最重要的一个推论之一，一开始也是引起了巨大的争议，而且更由于刚开始大家普遍认为的不可观测性，所以怀疑的人就更多了（还记得我们在第一章说过的奥卡姆剃刀原理吗，如果一样东西永远无法被检测到，那就跟没有一样）。但是时至今日，已经没有任何人怀疑黑洞的真实存在性了。黑洞已经成为广义相对论和天文学研究的标准对象。
黑洞还有个特别有趣的性质。因为它的质量大到把时间和空间都扭曲成一个洞了，空间被弄成一个洞你还好理解点，不就是进去的东西出不来嘛，那时间被扭曲成一个洞你能想象得到是怎么回事吗？那就是在黑洞里面，时间停止了，准确地说，时间不存在了，时空在这个地方被打了一个死结（别再追问了，我也想象不出是啥样子）。假设有一个倒霉的宇航员不幸掉入一个黑洞，他在掉入黑洞的一刹那，从外面的观察来看，这个倒霉的宇航员的时间停止了，他的动作也停止了，他就像照片定格一样被永远定格在了黑洞的边缘，宇航员的亲人们永远也看不到他掉进去，宇航员的子孙后代世世代代都可以看到这幅定格的恐怖画面（后代们抱着儿子指着黑洞边缘定格的画面说，看哪，儿子，这就是你18代祖宗）。但是，如果你是那个倒霉的宇航员，时间对你自己来说仍然是一样流逝的，你仍然会感到自己掉进去了。到底掉进去以后会发生什么，谁也不知道，你别问我了，如果你去问霍金，他会这么回答你：“所谓黑洞，就是一切永远无法了解的事件真相的集合。你明白了吗？”他看似回答了你的问题，其实跟我的回答是等价的。这个事情是不是很难以想象，外人（直到宇宙末日那天）都认为倒霉的宇航员永远处于将掉入未掉入的状态，而宇航员自己则认为自己掉进去了。
我说了，我们的思维不要停，继续往下深入，越往下想越神奇。让我带着你继续沿着上面的线索往下想，千万别走开，最神奇的事情马上就要发生了。
从黑洞到虫洞
黑洞就是宇宙这张大网中时间和空间形成的一个洞，你看，就像这样：
图5-16一个黑洞就像一个漏斗
越看越像一个漏斗。你有没有想过，如果宇宙中有两个这样的漏斗，刚好漏斗嘴对漏斗嘴接上了，会发生什么情况？
图5-17虫洞原理
爱因斯坦和另外一个叫罗森塔尔的美国物理学家一起研究发现广义相对论的方程中，有一个解可以从理论上允许这种情况的发生，物理圈子里面的人把他称之为“爱因斯坦—罗森塔尔桥”，说这个连接部位就像一座桥一样连通了宇宙空间中两个本来相隔得非常非常遥远的区域。我想起了前段时间看的一部美国大片《雷神托儿》中的台词：“我们那个世界把这个叫做彩虹桥，你们把它称之为爱因斯坦罗森塔尔桥。”但是很快人们就觉得，这个情景还是更像一个洞，只不过这个洞就好像一条虫子咬穿了一个苹果一样，这个比喻更形象，更深入人心。因此，这个爱因斯坦罗森塔尔桥大多数情况下都被叫做“虫洞”。
“虫洞”这个东西太神奇了，不但可以连通相隔遥远的宇宙空间，让你能突然从一个地方跨越几百光年出现在另一个地方，而且，它还能连通时间，让你从一个时间突然出现在另外一个时间，不光是从现在到未来，也有可能是从现在到过去。虫洞成了现在关于宇宙旅行和时间旅行的科幻小说的标准化理论，也成了地球上发生的无数古怪离奇的失踪案件和穿越事件的元凶，反正一切不可思议的事情都能用虫洞来解释，这个虫洞简直成了万能的。
但是让我们从理性的角度再看一下这个虫洞，我们会发现如果桥的两头都是两个黑洞的话，那有什么意义呢？你从洞的这头掉进去，你也无法从洞的那头出来，无非就是从宇宙的一个监狱跳跃到了另外一个监狱而已。除非，广义相对论的另外一个叫“白洞”的推论也能存在，所谓白洞就是刚好跟黑洞性质相反的一个洞，这个洞不停地把物质以辐射的方式“吐”出来（迄今为止尚未有任何直接或者间接的观测证据出现）。如果虫洞的一头是个黑洞，另一头是个白洞，那么你就有可能从黑洞这头掉进去，从白洞那头被吐出来，不过即便吐出来了，你也成了辐射的形式，也就是还原成为基本粒子。
看来，不论虫洞的两头是黑洞还是白洞，指望它来做真正的时间和空间旅行似乎死亡率都达到100％，看起来真是不够给力。于是为了让虫洞这个纯数学的产物能够更加富于浪漫色彩，更加便于科幻小说作家创作，最近10多年来有了无数种关于虫洞存在允许我们活着通过的可能性的理论问世，那真叫一个五花八门。
说老实话，我是没有辨别真伪的能力的，总之每个理论都被冠以很牛的名称，还会出现很多超级玄的名词，不过这些名词我大多数都不认识。不管怎样，人类最可贵的精神就在于无限的想象力，没有这些想象力，我们是不可能从茹毛饮血的古猿进化成能登上月球的万物之灵的。从这个角度来说，我们都应该感谢科学家、伪科学家、幻想家甚至妄想家。
压轴大戏
讲到这里，本章已接近尾声，让我们来梳理一下前面看过的那些风景。首先，爱因斯坦从对狭义相对性原理的不满意出发，把狭义相对性原理推广到了等效原理加广义相对性原理；然后从这两个原理出发，推导出了引力使时空弯曲，继而又推导出了黑洞这么个不知道什么玩意儿的玩意儿；再从黑洞想到了虫洞，于是时空旅行有了理论上的可能性。这么一路走来，风景越来越奇特，如果我们不是这么一路走过来的，而是从光速不变的时候就直接告诉你光速不变说明时空旅行有可能，你一定会嘲笑我是不是精神出了问题。但科学的神奇就在于一步步往前走的时候，觉得每一步都是合理的，过一段时间以后再回头一看，发现连自己都快不相信脚下这片神奇的土地了。难怪爱因斯坦会讲出下面这句名言：
“宇宙最让我难以理解的是居然它是可以被理解的。”
本章就到这里……
等等，等等，你突然大声叫起来，作者，你忘记了一件最重要的事情。
什么事？
压轴大戏啊，压轴大戏还没上演呢，前面两章都有压轴大戏的，这章怎么可以没有？不带这样的，压轴大戏必须要有的，否则我们就赖着不走了。
哈哈，就等你们这句话呢，压轴大戏自然是早就准备好了，而且这部压轴大戏是绝对可以堪称压轴的，我们要让整个宇宙成为我们的演员，我们要对宇宙本身的生死做出终极思考，好戏这就上演！
爱因斯坦在打通六脉神剑之后，很快就把目光投向了整个宇宙，他把整个宇宙当做是一个整体来研究，在深入地研究广义相对论的引力场方程后，他得出了一个让自己都无法相信的结论：宇宙不可能是稳定的。也就是说，如果手头的方程式是正确的话，那么我们生存的这个宇宙要么是在不断膨胀的，要么就是在不断收缩的，总之方程的所有解都不可能得到一个稳定状态的宇宙模型。爱因斯坦被自己亲手算出的这个计算结果震惊了，晚上连觉都睡不着。在爱因斯坦那个年代，人类对天文学的认识还仅仅停留在银河系内。当时的天文学家认为银河系就是整个宇宙，宇宙的尺度大约是10万光年的量级，爱因斯坦毕竟不是天文学家，他对宇宙的认识必然也局限于当时天文学的普遍认识。
爱因斯坦一边看着手中的方程式，一边抬头仰望苍穹，看着满天的繁星，他知道头顶上的这些星星在那里已经存在了亿万年，在有历史记录以来，星空都是同样的景象，北斗七星的勺子在大熊座上指引了人类上百年的航海史，就像一个忠于职守的灯塔老人，从来没有出过一次差错。这个深邃而美丽的宇宙始终给人一种沉着、稳定、永恒的精神力量，现在，在我手中的这个方程式里面，宇宙不再是那个忠于职守的灯塔老人了，宇宙居然是不稳定的，它要么收缩要么膨胀，这怎么可能呢？
爱因斯坦怎么也无法接受这种结论，宇宙的博大和深邃的宁静深深地震撼着他的内心。于是，爱因斯坦拿起笔，在方程式中快速地增加了一个“常数”，有了这个人为添加进去的常数，宇宙就是一个稳态的宇宙了，既不会膨胀也不会收缩，爱因斯坦长舒了一口气，合上本子，终于可以美美地睡一觉，做一个好梦了。
可惜，爱因斯坦的美梦没过几年就被一个叫做哈勃（Hubble, 1889-1953）的美国年轻天文学家打破。哈勃首先发现在仙女座附近的一片淡淡得像云一样的薄雾根本不是之前普遍认为的宇宙尘埃云，在最新的大型天文望远镜下面，这层淡淡的薄雾居然是由数以亿计的恒星组成的，这就是第一个被发现的银河系外的星系——仙女星系（圣斗士阿顺的小宇宙就是这个星系），距离我们有几十万光年之遥。很快，一个又一个星系被发现，而且一个比一个遥远，我们的宇宙比我们之前认为的显然要大得多。然而哈勃接下来的进一步发现才是重点。哈勃接着发现我们所能看到的所有星系都在远离我们而去，宇宙中所有的星系和我们之间的距离都在不断增大，而且距离越远的星系跑得越快。这一切只能有一个解释，那就是宇宙就像一个正在膨胀中的气球，每个星系都是气球表面的一个点，当气球膨胀的时候，每个点之间的距离都会增大，哈勃用他确定无疑的观测数据向爱因斯坦展示了这么一个事实：宇宙正在膨胀，而且是加速膨胀。
“当啷”一声，当爱因斯坦读到哈勃的论文时，手中的酒杯落地摔得粉碎。天哪，宇宙竟然真的不是稳态的，而我，居然天真地在我的方程式中画蛇添足地加上了一个常数，这真是一个不可饶恕的错误。
爱因斯坦在晚年的回忆录中，把这个错误称之为一生中最大的错误。但恰恰是这个错误，反过来证明了广义相对论的伟大，它对整个宇宙模型的预言居然如此之精准，而且这么快就被天文观测数据所证实。既然宇宙是在膨胀中的，那么就是说明天的宇宙会比今天的大，换句话说，今天的宇宙比昨天的大，昨天的宇宙比前天的大，如此往下一直想下去，就跟没有什么东西能阻止宇宙的膨胀一样，也没有什么东西能阻止前一天的宇宙小于后一天的宇宙。
既然是这样，那么是不是宇宙会有一个诞生的时刻，先从很小的一个点开始，然后突然就爆炸出来？这个疯狂的宇宙大爆炸想法首先被一个叫做勒梅特的比利时学者公布出来，但名不见经传的勒梅特的声音并没有引起世人太多的注意，直到几十年后有两个美国人（彭齐亚斯和威尔逊）在新泽西州咝咝作响的天线上无意中发现了宇宙微波背景辐射，宇宙大爆炸理论才从一个疯狂的想法变成了一个有实验数据支撑的硬理论。这里面又有一个很长、很精彩、很有趣的故事，但这毕竟跟本书的主题关系不大，或许各位读者可以在我下一本讲天文和宇宙的书中看到这个精彩的故事。
爱因斯坦的宇宙常数被爱因斯坦自己称之为一生中的最大错误，然而富有戏剧性的是，在爱因斯坦死后很多年的最近几年，最新的理论却又让这个宇宙常数死而复生，爱因斯坦原本人为加上的这个常数居然像是冥冥之中的箴言，在今日的宇宙学研究中起着举足轻重的作用。但这个宇宙常数的复活有着复杂的背景和故事，并不是说广义相对论有什么错误，这里面也有一个精彩异常的故事，或许我会有机会在下一本书中写出来。
宇宙竟然有一个起点，这个起点用科学家的话说叫做“奇点”。（我也不知道该念ji还是qi，好像说法不统一，有说是奇异的意思，所以念qi，有说是单独唯一的意思，所以念ji，总之英文是singularpoint。虽说从英文含义上看，奇偶的意思更接近一点，但是据笔者的考证，国内的主流刊物似乎更支持奇异点的意思。这个读法倒是无关紧要的，反正我们都是业余的，念ji也好qi也好，不影响理解意思就好。）
宇宙诞生于一场疯狂的大爆炸，这个大爆炸的强度之大超出了人类的任何想象力，大爆炸完了就是无休止的膨胀。请注意，我这么描述宇宙你们是否听出来了，我有一个潜台词，那就是宇宙不是无限的，宇宙是有大小的，而且大小还是不固定的。
一旦说到宇宙是有限的，1000个人里面999个人会问一句话：“那么，你说宇宙的外面又是什么，你说宇宙诞生于一个奇点，那么奇点的外面又是什么呢？”我知道各位亲爱的读者此时心中正在发出同样的疑问。
今天，我一定要让你把这个问题想清楚了，而且以后你再遇到女生们向你问出同一个问题，你也能跟他们解释得清清楚楚，要知道，能把这个问题解释清楚可是一种高深的体现，有助于你博得她们的欢心。
爱因斯坦的回答是：宇宙有限无界。但是这么回答总是无法让女生们感到满意，她们实在无法想象出有限无界到底啥概念，于是经常有人打这样的比方，说我们就像一只在篮球上爬啊爬的蚂蚁，永远爬不到尽头，但是篮球却是有限的，这么回答会让女生们稍稍感觉好一点点，但也就是那么一点点而已，因为她们还是会追问：“那么篮球外面又是什么呢？”你要这么回答她们：“姑娘，请你想象一下，你来到了一间又大又宽敞的房间，当你正谋划着怎么把房间布置得漂漂亮亮的时候，突然发现这里有一些奇怪，你朝前方望去，发现远远的地方有一个人的背影，那个人的背影怎么越看越像你自己呢，然后你回头朝后望去，发现远远的也有一个人在回头朝后望，那个人分明就是自己，于是你开始怀疑自己的身后远处放着一面镜子。你抬头朝天上望去，发现天上也站着一个人，鞋底对着你，那双鞋分明就是你自己脚上穿着的这双鞋，你吓了一跳，显然天上不是镜子，要是镜子的话，看到的应该是自己的脑袋而不是鞋底才对，你低头朝自己的脚下一看，这次真的是吓了一大跳，脚下是透明的，脚下远远的地方看到一个人也站着呢，脑袋对着自己，这次你看得很清楚，那个人就是自己，绝对没错，这下你明白过来原来自己前方那个背影就是自己的背影，肯定错不了。为了证实一下，你开始朝前跑，想跑到那个人那里去看个究竟，但是你一跑，前面那个人也开始跑了，当你跑到前面那个人站着的位置时，发现这个地方跟刚才自己出发的地方一模一样，而‘你自己’仍然在前方站着呢。不管你朝后、朝左、朝右，甚至是向上飞起来，向下钻下去，其结果都是一模一样，你来到的是一个无限循环的空间，这个空间永远也跑不到头，但是你分明能感受到这是一个有限的天地，你被困在这里了（有没有让你想起电影《黑客帝国3》中的那个地铁站呢）。”
是不是觉得有点恐怖？很遗憾，我们的宇宙正是这样一个空间，但是我们宇宙的这个空间要比刚才那间房子大很多很多，从这里出发的话，光也至少要走140亿年才能回到原点。这是和爱因斯坦生活在同一时代的德国大数学家希尔伯特（Hilbert, 1862-1943）首先构想出来的空间，被称之为“希尔伯特空间”，它很好地描述了我们这个宇宙有限而又无界这个实质，希望希尔伯特有助于你博得女生们的好感。
从光速不变这个起点出发，一路走来，最后，我们竟然看到了恢弘的宇宙大爆炸，又看到了一个神奇的有限无界的空间，但请相信我，更神奇的事情还在后面，从第7章开始，我将带你去领略难以想象的神奇，在本章的结尾，请允许我用爱因斯坦式的口吻写下这么一句话作为本章的结束语：
这个宇宙的最神奇之处就在于它比我们所能想象到的还要神奇！