一個世紀前，愛因斯坦改變了人類觀察宇宙的方式。直到現在，他的研究仍能帶給我們新的發現。
“阿爾佛雷德，它在旋轉。”羅伊 克爾，這位新西蘭出生的，快三十歲的物理學家在半個小時內一根煙接一根的抽著，原來正在解決一個棘手的數學問題。阿爾佛雷德 席爾德，他在德克薩斯大學新建立的相對論中心的老板，也坐在旁邊注視著他。現在，打破了沉寂，克爾放下鉛筆。他一直尋找愛因斯坦廣義相對理論公式的一個新的解法，現在，從他的數字和符號中，至少可以準確的描述時空（公式描述的四維宇宙標架場：Universal Fabric）如何被包裹在一個旋轉的球中。他已經找到了夢寐以求的答案。
這發生在1962年，廣義相對論已經發表了將近半個世紀。習慣上認為它是人類智慧最高的成就之一。而且也是智力停滯不前的一個方面。數學上，它是復雜的，而且和現實世界那些簡單的模型鮮有相關，因此人們并未廣泛研究。克爾旋轉解法改變了這個現狀。非常漂亮的，把宇宙中所有的事物在不同比率下，都是這個系統的一部分，新的解法下和現實的世界有了關聯，相比以前在這領域的不足，這是非常了不起的一點。它以一個理論基礎，在科學上理解了一個奇異的物體，不久大眾就它著迷：黑洞。
1915年11月，在普魯士科學院的四堂課中，提出了廣義相對論；隨后在12月2號發表。起先，這個理論闡述并未引起人們的注意，不同于量子理論，這是二十世紀物理中唯一能和相對論相比的革命發現。它并未在當時物理學家最關心得到問題上提供思路。然而，它很快得到廣泛的人口，尤其是它數學表達上十足的美感，一百年來，在科學理論中，不包括它的任何關于美學的討論，都是不完整的。
當重力作用失效時
今天，它的表現遠遠超出它的優雅。它對現代宇宙學的氣管提供了理論支撐，從黑洞到宇宙大爆炸。最近證明，它的公式在描述早期物理物質中也有價值。而且，可能還有一些秘密有待發現：還有大量實驗見證，在宇宙提供的最極端物理環境下，這個理論是如何持續的。
“狹義相對論”是愛因斯坦在1905年三大突破性成就之一，從而確立了他在學術界的聲望，而廣義相對論理論是愛因斯坦對狹義相對論的完善。這個理論讓大家戲劇性的放棄了由來已久的對世界的認知：絕對的時間和空間，轉而支持一個四維的時空（三個空間維度和一個臨時維度）。在這個新的時空下，觀察者在量算時間和長度時，不同速度移動下得到不同的答案：比如，面向一個靜止的觀察著，一個快速移動的鐘，相比靜止的鐘，顯示的時間會變慢。唯一確定的是所有觀察者都認為光速C不變（而且在著名的物質和能量轉換等式E=mc2，扮演主要作用）。
狹義相對論只適用在特定情況：觀察者在直線上勻速。愛因斯坦知道，需要一個更廣泛的理論來解決加速度。它也需要調解牛頓的引力論，引力論只依賴絕對的空間，完全沒有明確提到時間，而且相信行動不是以光速，而是瞬時速度。
通過大腦的實驗，愛因斯坦完善了他所有關于相對論的想法：對高度程式化的事物情況進行了認真假設的評估。在1907年，基于這些實驗，激發了一個他后來認為最快樂的想法：從懸崖下跌落的人不會感覺到他自身的重量。他意思到，自由落體的物質感受不到重力。但是，重力下彎曲的軌道，比如高爾夫球或行星的路線，看上去隱含著某些種類的推拉。如果高爾夫球或行星也像人們從懸崖跌落，感受不到這種推拉力，他們為什么不會直線下降？
愛因斯坦隨后對這種行為的斷言誕生了廣義相對論的中心才華。物體的自由落體，就像光線在時空中保持直線。但時空自身彎曲了。而且這使得彎曲集中。重力不是一種力，而是時空的扭曲。因此物理學家約翰 惠勒，十年后對詭異的物理現象給出了簡單有力的格言：“時空告訴物質如何運動；物質告訴時空如何彎曲。”
問題在于，為了在這個思想上建立一個理論，愛因斯坦需要在包裹的四維時空下，建立這些描述。牛頓和其他人所用的歐幾里得幾何不能勝任這些工作；不得不面對根本的區別和更有挑戰性的數學。麥克斯 普朗克，引起量子力學革命性突破的物理學家認為，這給愛因斯坦一個無法逾越的難題。“我必須忠告你對抗它，”在1913年寫給愛因斯坦的信中這樣寫道，“因為首先你不會成功，而且即使你成功了，沒人會相信你。”
盡管如此，對愛因斯坦來說，很巧合的是，一位大學老友，麻賽?格羅斯曼是黎曼幾何的專家，之前在純數學中，黎曼幾何的創建可以描述彎曲的多維表面，在1915年愛因斯坦的授課中，愛因斯坦使用這種非傳統的幾何，把他的重要思想歸納為優雅，太極為復雜的數學方程，通過這些方式成而為人所知。
僅僅在12月25號，在開始第四堂課前，他意識到，相比在頭腦中的實驗和方程式，還有更多的內容可以提供參考。天文學家很早就知道這一點，水星圍繞太陽的軌道不定時的變換，而牛頓的引力論無法解釋。在1840年代，天王星的奇特軌道說明它受到了較遠行星的影響；隨后海王星的發現，驗證了牛頓理論的正確性，而讓人們歡之雀躍。但試圖以一個未發現的行星為依據來解釋水星行為的不尋常，最后以失敗告終。
成名已久
愛因斯坦發現，近太陽下的時空的曲率可以很好的解釋水星的行為。在同時期的授課中，這是他唯一可以指出的，以前科學無法解釋，但是廣義相對論可以解釋的現象。很多科學家認為這個理論在“樹立愛因斯坦更卓越，任何他無法解釋的神秘現象都無法激發他的動力”方面沒有價值，馬丁?里斯，英國皇家天文學家是其中一位。他簡單的憑借自己的觀察認為，萬物都必須是某種重力，都需要用數學之美來描述。
廣義相對論發表后，愛因斯坦開始通過觀測，尋找可以驗證的方式。其中一個是當太陽日食的時候，對天空中同一個區域，位置確定的恒星，對比不同時間下他們的位置。光線就像正在自由落體的對象，時空中的軌跡是直的。因為太陽質量包裹時空，當射線繞過太陽時，恒星的位置看上去改變了（看圖示）。
在1919年，亞瑟?愛丁頓，著名的英國天文學家聲明，在大西洋普林西比島觀測的日食顯示了愛因斯坦所預測的扭曲（他的一副圖片如圖所示）。“天空中的光線都彎曲了”，紐約時報頭條這樣寫道，并輔助性的家了一條“任何人都不需要擔心”。愛因斯坦當時很高興，更加確信他的思想而不再焦慮不安。當有人問他，如果愛丁頓發現了一個不同的結果，他會怎么辦，他回答，“那我只能對真主說一聲道歉了。因為理論是正確的。”
整個世界都知道了，愛丁頓的結果將廣義相對論或多或少提高到了毋庸置疑的位置。但如何讓它成為主流。因為它很難理解。在公共場合，甚至愛丁頓有時候也會難住，不確定他是否是“全世界了解廣義相對論的三個人之一”。有時他會謙虛的打破沉默，回復到“另一方面，我也在努力思考，誰會是第三個人！”
廣義相對論也看上去有點無關緊要。普朗克創建的量子革命已經開始，對此，愛因斯坦在1905年貢獻了另一篇他的偉大論文，并結出了迷人的果實。對原子核的理解一起進入了一個繁榮時期，這是物理學家注意的中心。狹義相對論在這個興奮點上也起到了作用，最著名的表達式E=mc2給出了存儲在這些迷人的原子核中的能力的量算方式，而廣義相對論并沒有什么貢獻。
取而代之的是，它提出了一種提問的方式，不再是宇宙是什么，而是作為一個整體，宇宙的結構是什么。方程式中有多個解，可以證明宇宙正在膨脹；而有些則證明它在收縮。這成立他和荷蘭物理學家威廉?德西特（發現了宇宙擴張解）之間充滿激情的爭論。愛因斯坦想要一個靜止的宇宙。在1917年，他給方程式增加了一個宇宙常量，可以在一定大小下用于固定宇宙。
1929年，當一位美國天文學家拿出強有力的證據，證明宇宙確實越來越大，這變得有點尬尷。威廉?德西特量算了來自遙遠星系的光線的顏色，作為研究他們運動的一種方式；來自正在接近地球的物體的光線看上去更藍，否則來自后退物體的光線看上去更紅。哈勃發現，平均來說，星系距離遠大，它的光線越偏向紅色；他們離開的越遠，事物后退的越快。這些紅色的偏移所提供的宇宙擴張的證據讓愛因斯坦取消了宇宙常量，并成為一生中最打的魯莽。
這個理論用在了一些早期停滯不前的應用中。在1930年代，原子物理學家研究得出，恒星從核反應中獲取能量，而且這些反應用過了恒星的燃料，恒星則會崩潰。像太陽這樣的星體則會瓦解為一個和地球一樣大小的“白矮星”。更大的恒星則進一步瓦解為和原子核密度一樣的“中子星”，而且只有20公里左右。而最大的恒星則會瓦解成一個長寬深但有無限密度的一個東西：一個奇點。
對數學思維而言，在理論上找到一個奇點是很不爽的，他們通常表示答案有錯。愛因斯坦不想在他的宇宙中遇到任何奇點，而且在1939年他發表的一篇論文中，他試圖證明，在一個奇點可以形成前，一個巨大的恒星將會停滯。羅伯特?奧本海默，伯克利的一位年輕的天才物理學家，使用相同的物理相對論反駁這位巨人，而且建議，這樣的一個極端瓦解是可能的。時空在急劇包裹時，他們會創建一個區域，這個區域內，無論是光還是其他東西都不能逃離：黑洞。
盡管奧本海默的論文發表的當天，德國入侵了波蘭，將這個爭論退后。但一個月前，愛因斯坦給富蘭克林 羅斯福寫了一封信，并突出了E=mc2 的軍事應用。它將用于實現某種應用，而不是黑洞，從而讓人們記住了奧本海默（曼哈頓計劃的領導者）。
部分因為奧本海默和政府間出奇的成功，物理研究的新的程度在戰后繁榮發展。一個領域就是射電天文學，揭露的宇宙中戲劇的一面，而用光線的觀察則不會有任何暗示。在它的發現中是無線電波的源，看上去同一時間非常小（大小），但特別的強大（能量），通過紅色偏移的判斷，非常的遠。天文學家稱為類星體，而且想知道，什么能夠從一個比銀河系大一點的體積下，產生具有百億個恒星能量的廣播信號。
羅伊 克爾對廣義相對論的解提供了答案：一個特大質量的旋轉的黑洞。他的旋轉能在黑洞外圍創建一個“事件視界“——在該點上，光和所有其他事物都不會返回——在這里，向內跌落的物質將會自旋向上，達到巨大的速度。某些這樣的物質將會沿著旋轉軸被噴出，形成了在在類星體的廣播射線下看到的噴射。
如煙的消失
這是第一次，廣義相對論解釋了世界的一個新現象。聰明的，年輕的思維進入了這個領域：數十年來不活躍的那些瘋狂的猜測的思想進一步開創并發展。時空中出現了蟲洞的說法，看上去可以在宇宙間實現遠距離的傳送。他們是你閉合的，時間一樣的彎曲，看上去，通過他們可以穿越到過去。少了一些猜測，但伴隨著一些深刻的影響，斯提芬霍金，一位物理學家（下圖，和一個類星體），和羅杰?彭羅斯，一位數學家，顯示了在黑洞中，奇點的相對描述可以用來描述宇宙大爆炸就是宇宙膨脹的開始——實際上，這是搞清宇宙的唯一方式。廣義相對論給人們他們第一次宇宙創建的物理記載（physical account of the creation）。
霍金博士繼續把量子理論的元素引入到黑洞的理解中。量子力學中認為，如果你以最小尺度來觀察空間，你將會看到一個持續的發酵，成對的粒子會涌現并重組而虛無。霍金博士爭論到，當這在黑洞的事件視界發生時，一些粒子會被吞沒，一些可以逃離。這些逃離的粒子意味著，用霍金的話說，“黑洞并沒有那么黑“——他們可以釋放一些稱為霍金射線的東西。以這樣的方式丟失的能量最終來自于黑洞本身，在這個過程中，放棄了部分質量。因此，看上去，黑洞也會偶爾蒸發，虛無。
添加量子力學來描述黑瞳是在理論物種中，可能的最大的挑戰的開始：用一種可以解釋所有問題的方式來重新調整可以描述宇宙中所有領域和粒子的理論。這兩個理論以非常不同的方式看待現實。在量子論中，一切都零碎的在一定尺度下。相對論的方程式則基本平滑(量子是非連續的，而相對論是連續的)。量子力學專門處理可能性的問題——不是因為信息的缺失，而是因為真實世界正是如此。在相對論中一切都是確定的。而且量子力學是非局部的：在一個地方的對象的行為可能受到千里以外或者數光年遠的另一個對象的牽連。相對論則自負的認為是局部的：愛因斯坦確信，當一個更好的理解到來時，量子力學中的“幽靈般的遠距離作用“將會消失。
不是的，實驗確認了物理世界下對非局部本性后。量子理論在其他方面也有驚人的成功。量子理論豐富了電磁學和強弱核力間的相互關聯——保持大多數原則在一起和分離的過程。現在，這個統一的標準模型涵蓋了所有物質觀察的形式和他們之間的相互作用——處理那些歸咎于重力的。
有些人可能洋洋自得，僅僅讓每一個理論在它們有利的方面使用，不需要顧慮未來。但像這樣的人不會成為理論物理學家。他們不曾解釋過宇宙大爆炸的復雜——對宏達的大統一理論的巨大考驗永不停息的進行著。在宇宙的出奇，時空自身看上去受到波動種類的限制，這是量子世界的基礎（就像霍金射線的原因）。了解這些鬼把戲的中心，要求一個能夠合并兩個方案的理論。
（解釋：橙色的是一個光源，中間綠色的將光束分為兩束，兩束光遵循的波長相同（對應藍色和深藍色），最終又合稱為一個光束。而左邊沒有重力波下，合成后波長還是相同，而右邊收到重力波作用，波長不同。）
在這方面有很多豐富而微妙的嘗試。潘洛斯博士花費了數年，精心安排了一個優雅的方式來觀測所有作用域和粒子，一個新的數學化的概念稱為“扭量”。其他人則追求一種方式，在圈量子引力論的題目下，增加量子片段到時空結構。然后出現了這個例外的簡單萬物理論——其實并不（簡單）。史蒂文?溫伯格是一位大統一論者，他的工作建立了一個標準模型，提到這個理論，他說“有很多理論，但只有很少的觀測結果，所以我們還差的很遠。”
溫伯格博士，就像他的很多同僚，傾向于一種稱為超級弦論的方案。它是在添加了很多特征的標準模型的產物的產物，看上去他們可以有助于時空的理解，而且它的支持者也找到了數學上令人陶醉的方面。Ed Witten，任職普林斯頓大學高等研究院（IAS），愛因斯坦最后22年的研究和生活的地方，是其中一位將這個理論提高到當前備受矚目的地位。但是他也警告道，很多理論還有待發現，而且沒人知道有多少。“我們只了解了只言片語——但是僅有的這些也美不勝收。”
到1915年11月，這些零碎的進展，如同Witten所說，在進展中提供了一個很好的產物。“在廣義相對論中，在他得到這個理論前，愛因斯坦已經有著這個概念。這也是為何它建立的部分原因：當它公式化后，它就完整了。”他說到。“弦論則恰恰相反，通過幾十年前很多愉悅的意外才發現了很多證明。”
在藍海中糾纏
這些愉悅的意外還在繼續。在1997年，胡安?馬爾達西那，一位阿根廷理論學家，現在也在IAS工作顯示，在量子立場中，共形場論的公式和稱為反德西特空間（原源自Willem 德西特，和宇宙膨脹解相思，但是精致，而且深受弦理論學家的喜愛）愛因斯坦的方程式之間有一個深刻的聯系。雖沒有提供一個現實世界的解釋，但他們之間的聯系讓物理學家在量子力學中重新處理棘手的問題，將其轉為廣義相對論下發現的方程式種類，從讓讓他們可以更容易的破解。
在材料科學中這個方法開始有效的使用來解決問題，吵到和量子計算機。這也是“在一個完全意想不到的方式影響這個領域，”李奧納特?蘇士侃，斯坦福大學教授說。“這是在我們的工具和方法論，以及關于如何把現象聯系在一起的思維方式上的轉移。”通過以這種方式觀察事物，馬爾達塞納博士和蘇士侃博士發展了一個可能：蟲洞的相對允許（在反德西特空間中可以找到）可能和量子力學中長距離粒子間的纏繞是同一個事情。愛因斯坦幽靈空間的諷刺所扮演的重要作用還未引起人們的注意。
相比相對論在一些不可預見的，相繼發現的理論的可能的包容，相對論的未來還有更多的意義。就像提出一個理解宇宙的新的方式，它也提供了一種新的觀測方式。
這是有用的，因為宇宙中很多的片段在其他方式下很難觀測。宇宙的大部分由暗物質組成，它們不會釋放射線。但他們有質量，因此它們會彎曲空間，就像日食的太陽扭曲了愛丁頓恒星那樣扭曲更長遠物質的圖像。研究通過所謂的引力透鏡產生的扭曲——即清楚（下圖，和愛因斯坦一起），也是黑暗的——允許天文學家用當今最好的望遠鏡獲取的最精確的深空影像，用一種新的方式來量算環繞宇宙的質量的扭曲。
相對論協助下的天文學的另一種形式則直接使用引力場。愛因斯坦的方程式預測，當物質環繞對方加速時，他們會在時空中產生漣漪：引力波。就像黑洞和宇宙膨脹，愛因斯坦并不熱衷這個觀點。再一次，后來的研究顯示這是正確的。1970年代發現了一隊中子星互相旋轉，就是一個精確的，應該產生波的這類系統。但產生引力波需要能量，它的釋放意味著這些中子星應該會有所丟失。而且這得到了證明——相對論預測的比率完全精準。這種間接的但令人信服的發現獲得了1993年的諾貝爾獎。
然而，還沒人能夠通過捕捉時空時空的擴張或收縮（這本應該順便觀測到）在實踐中看到一個波，因為包含的效果可笑的小。但美國的研究者最近升級了激光干涉引力波天文臺（LIGO）現在認為他們可以做到。在LIGO的兩個設備上，一個在路易斯安那州，一個在華盛頓州，在探測器中融合生成一個模型前，激光束會在4千米長的管道中上下反彈幾十次。通過一個原子核半徑的細微的分數，一個經過的引力波會壓扁時空，其中一個管道如此操作，另一個管道不這樣操作，這樣該模型會產生一個明顯的變化。（就是之前捕捉波的圖示的過程）。在兩個案例上對比量算可以給出一個合理的波的方向。
更進一步接近光明
目標并不只是檢測引力波——盡管這是一個卓越的成就——但學習產生他們的過程，比如中子星的兼并和黑洞。在這種災難下彎曲效果的強度不同于迄今我們看到的任何事；他們的觀測將對理論提供一個全新的測試類型。
而且歷史告訴我們，還有徹底的，不曾預料的發現。基普?索恩，在加利福尼亞科技研究院的相對論專家和LIGO的聯合創始人，說到“每次我們通過射線，打開一扇通往宇宙的新的窗口，都會有意想不到的驚喜。”比如，射電天文學的先驅從未暗示，他們將會發現一個全是類星體的宇宙——那是黑洞。一個未來全球陣列的引力波檢測將會打開一個觀測天文學的全新分支。
一個世紀前，廣義相對論回答了一個除了它的創造者外，沒人問的問題。很多情況下，很多理論都只是讓一兩人偶然發現的；但如果愛因斯坦沒有花費數年，計算出時空的曲率，重力的本質可能數十年都不會被發現。現在，他改變了天文學家思考宇宙的方式，激勵他們嘗試和建立更多的理論來解釋它的起源，甚至提議新的方式來檢測它的內容。而且也是愛因斯坦最為人稱贊的地方：它單一的美，第一次獨自的展現在他的眼前，而如今被所有追隨者所欣賞。“愛因斯坦廣義相對論的方程式是他最好的墓志銘和回憶，”史蒂芬?霍金寫到。“它們應該和宇宙一樣長存。”
