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阿尔伯特.爱因斯坦，这是位狭义和广义相对论的发现者，1879年诞生于德国的乌尔姆。次年他的全家即迁往慕尼黑。在那里他的父亲赫曼和叔父各自建立了一个小型的不很乐成的电器公司。阿尔伯特并非神童，然则宣称他在学校中成就下等似乎又言过其实。1894年他的父亲公司倒闭，全家又迁往意大利的米兰。他的父亲决议让他留在慕尼黑，以便完成中学学业，然则他憎恶其专制主义，几个月后脱离了，前往意大利与家人团圆。厥后他在苏黎完成学业。ETH的教授们不喜欢他好辩的性格以及对权威的蔑视，他们中无人愿意雇他为助手，而这恰恰是进入学术生涯的正常途径。两年以后，他终于在伯尔尼的瑞士专利局获得一个低级职位。1905年正是在专利局任上，他写了三篇论文。这三篇论文不仅奠基了他作为天下最主要的科学家之一的职位，而且开启了两项看法革命，这革命改变了我们对时间，空间以及未来自己饿明白。

　　在19世纪末，科学家们信赖他们已经处于完整形貌宇宙的前夕。他们好象空间充满了所谓“以太”的连续介质。光线和无线电讯号是在以太中的颠簸，犹如声音为空气中的压力波一样。对于完整理论所需要的一切只不过是要仔细丈量已太的弹性性子。事实上，为了举行这种丈量，哈佛大学建立了杰佛弗逊实验室。整个建筑物不能用任何铁钉，以免滋扰敏捷的磁丈量。然而策划者忘记了修建实验室和哈佛大部分楼房的褐红色砖头砖头含有大量的铁。这座建筑物迄今仍在使用，虽然哈佛仍然不能清晰，不用铁钉的图书馆地板事实可以支持若干卷藏书。

　　到世纪交替之际，最先泛起可和穿透一切的以太观的误差。人们预料光在通过已太时以恒定的速率旅行；但若是你通过已以太顺着光的偏向运动，它的速率会显得更快。

　　然而一系列实验不支持这个看法。阿尔伯特.麦克尔逊和爱德华.莫雷于1887年在俄亥俄的克里夫兰的凯思应用科学学校所举行的实验为其中最为仔细最为准确者。他们对相互垂直的两束光的速率举行对照。随着地球绕轴自转以及公转，仪器以转变的速率和偏向通过以太运动。然则麦克尔逊和莫雷的两光束之间没有周日和周年的差异。不管人们在哪个偏向上多快运动，光似乎总是以相同的速率相对于他的所在地运动。

　　爱尔兰的物理学家乔治.费兹杰拉德和荷兰物理学家亨得利克.洛伦兹，在麦克尔逊-莫雷的基础上建议，物体在通过以太运动时会缩短，而且钟表要变慢。这种缩短和钟表变慢使人们丈量到相同的光速，而不管他们相对于以太若何运动。然而，爱因斯坦在1905年6月撰写的一篇论文中指出，若是我们不能检测出他是否穿越时空的运动，则以太看法熟练多余。想反的，他以为科学定律对于所有自由运动的观察者都显得相同的假设为起点。特别是，不管他们若何快速运动，都应丈量到相同的光速。光速和他们运动无关，而且在所有偏向上都相同。

　　这就需要甩掉一个看法，即存在一个所有钟表都丈量的成为时间的普适的量。相反的，每小我私家都有他或者她自己的小我私家时间。若是两小我私家处于相对静止状态，则他们的时间就一致，然则一旦他们相互运动则不一致。

　　这已经被许多实验所证实，其中包罗两台以相反偏向绕天下航行的准确的钟表返回后显示时间的细小差异。这似乎表示，人们若要活的更恒久，应该不断地飞向东去，使得地球的旋转叠加上飞机的速率。然而，人们所获得的比一秒还短得多的生命延伸，远远不及劣质飞机餐对康健的践踏糟踏。

　　爱因斯坦的假定，即自然定律对于所有有自由运动的观察者应该显得相同，是相对论的基础。之以是这么称谓是由于它意味着只有相对运动才是主要的。它的优美和简朴征服了许多科学家，然则仍然有许多人否决。爱因斯坦推翻了19世纪科学家的两个绝对物：以太代表的绝对静止和所有钟表都丈量的或普适时间。许多人以为这是一个另人不安的观点。他们问道，这是否意味着，万物都是相对静止的，甚至不存在绝对的道德尺度呢？这种苦恼连续穿于20世纪20年代和30年代。1921年爱因斯坦获得诺贝尔奖时，其颂词是至关主要的，然则根据他的尺度却是相对次要的，也是在1905年做过的研究。它没有提及相对论，由于相对论被以为太过于争论性了。只管云云，现在科学界已经完全接受了相对论，无数的应用证实了他的预言。

　　相对论的一个非常主要的推论是质量和能量的关系。爱因斯坦关于光速对于任何人而言都应该显得相同的假设，意味着没有任何运动的比光还快。当人们应能量加速任何物体，无论是粒子或者空间飞船，实际上发生的是，它的质量增添，使得对她进一步加速更难题。要把一个粒子加速到光速要消耗无限大能量，因而是不能能的，正如爱因斯坦的著名公式总结的：E=mc^2，质量和能量是等效的。这也许是物理学中的唯一的妇孺皆知的公式。它的一项结果是意识到，若是铀原子核裂变总质量稍小的两个核，就会释放伟大的能量。

　　1939年天下大战迫在眉睫，众多意识到这些寄义的物理学家都说服爱因斯坦战胜其和平主义原则，以他的权威给罗斯福总统写一封信，要求美国最先核研究设计。

　　这就导致了曼哈顿计划并最终发生了于1945年在日本的广岛和长崎爆炸的原子弹。有人将原子弹归咎于爱因斯坦发现了智能关系；然则这和把飞机失实归咎于牛顿发现了引力很类似。爱因斯坦本人没有介入曼哈顿计划，而且为投原子弹而感应震惊。

　　爱因斯坦1905年的开创性论文为他建立了科学声望，然则直到1909年他回到苏黎世，这一次是返回苏黎世高工。只管在欧洲的许多地方，甚至在大学中盛行反犹主义，他现在是学术界的巨星。维也纳和乌特勒希特都邀他任教，然则他选择了柏林的普鲁士科学院的研究员职务，由于这样他可以脱节教学。1914年4月他迁往柏林，不久他的妻子和两个儿子也来团圆。然而婚姻不谐已有时日，他的家庭不久返回苏黎世。只管他偶然去探望他们，他和妻子最终照样仳离了。爱因斯坦厥后娶了他住在柏林的表姐爱尔莎。在战争年代里他过着独身生涯，避免了家事纠缠，也许是他在这一段时代科学上多产的一个缘故原由。

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　　虽然相对论和制约电磁学的定律配合的天衣无缝，它却不能和牛顿的引力定律想协调。牛顿引力定律说，若是果人们在时间的区域改变物质漫衍，引力场的改变在宇宙其他任何地方就会瞬间被察觉到。这不仅意味着人们可以发送比光还快的信号；为了知道这里瞬刻的寄义，它还需要存在绝对或普适的时间。这正式那种被相对论甩掉了的，并被小我私家时间所取代的时间。

　　1907年当爱因斯坦还在伯尔尼的专利局事情时，他就知道了这个难题，然则直到1911年他在布拉格时才最先认真地思索这个问题。他意识到在加速率和引力场之间存在一个慎密的关系。待在一个封锁的盒子里，譬如升降机中的某人不能将盒子静止地处于地球引力场中和盒子在自由空间中被火箭加速这两种情形区别开来。

　　若是地球是平展的，人们既可以说服苹果由于引力而落到牛顿头上，也可以等效地说由于牛顿和地球被往上加速。然而，对于球形地球加速率和引力之间的不等效似乎不建立，天下相反双方的人要停留在牢固的相互距离上就必须在反偏向上被加速。

　　在爱因斯坦1921年回苏黎世时，他灵感奔涌，意识到若是时空几何是弯曲的，而不是想迄今所假定的那样平展，则等效建立。他的头脑是质量和能量以一种还未被确定的方式将时空弯曲。诸如苹果或者行星的物体在通过时空的贪图沿着直线运动，然则由于时空是弯曲的，以是他们的轨道显得被引力场所弯折。

　　爱因斯坦借助于他的同伙玛索尔.格罗斯曼通晓了弯曲时空和面的理论。在此之前乔治.弗里德里希.黎曼把这种理论生长成一种抽象的数学；黎曼从未想到它和着实天下有何相关。1913年爱因斯坦和格罗斯曼合写了一篇论文，他们在论文中提出了这样的头脑，我们以为是引力的只不过是时空为弯曲的这一事实的显示。然而，由于爱因斯坦的一个错误，他们未能找到将时空曲率和处于其中的质量和能量相联系的方程。爱因斯坦在柏林继续研究这个问题。他不受家事的烦扰，而且不受战争影响，终于在1915年11月找到了准确的方程。1915年炎天，当他接见哥廷大学时曾经和数学家大卫.希尔伯特讨论过他的头脑，希尔伯特甚至比爱因斯坦还早几天自力找到了统一方程。只管云云，新理论的乐成应归功于爱因斯坦：把引力和时空弯曲联系起来正是爱因斯坦的头脑。这个时期的德国作为文明国家是值得赞扬的，甚至在战时科学讨论和交流仍然可以不收滋扰的举行。

　　弯曲时空的理论被称为广义相对论，以和原先没有引力的理论相区别，后者现在被以为狭义相对论。1919年当英国赴西非的探险队在日食观察到光线通过太阳邻近被稍微偏折，广义相对论因而获得绚烂简直认。这正是空间和时间被弯曲的直接证据。它激励了从欧几里得在公元前300年左右写下《几何原本》以来，我们对自身生涯其间的宇宙之熟悉的最大变化。

　　爱因斯坦的广义相对论把空间和时间从一个事宜在其中发生的被动的靠山转变成宇宙动力学的自动介入者。这就引发了一个伟大的问题，这个问题在21世纪仍然处于物理学的最前沿。宇宙充满物质，而物质弯曲时空使得物体落到一块。爱因斯坦发现他的方程没有形貌一个静态的，也就是在时间中稳定的宇宙解。他宁愿不放弃这样一种永恒的宇宙，这正是他和和其他大多数人所笃信的，而不惜对该方程举行修理，添加上称为宇宙常数的一项，使得物体相互脱离。宇宙常数在相反的意义上将时空弯曲，使得物体相互脱离。宇宙常数的排挤效应可以平衡物质的吸引效应，这样就允许宇宙具有静态解。这是理论物理学的历史中错失的最重大的机遇之一。若是爱因斯坦坚持其原先的方程，他就能够语言宇宙要么正在膨胀，要么正在缩短，二者必居之一。直至20世纪20年代在威尔逊山上用100英寸望远镜举行观察，人们才认真接受宇宙随时间转变的可能性。

　　这些观察展现了，星系和我们像距越远，则越快速地脱离我们而去。宇宙正在膨胀，任何两个星系之间的距离会随时间恒定地增添。这个发现排除了为获得静态宇宙解对宇宙常数的主要。爱因斯坦厥后把宇宙常数称为他一生中最大的错误。

广义相对论彻底地改变了有关宇宙起源和运气的讨论。一个静态的宇宙可以存在无限长时间，或者以它现在的形状在已往的某个瞬间创生。然而，若是现在星系正在相互离开，这表明它们已往曾经加倍靠近。约莫150亿年以前，所有它们都市相互靠在一起，而且密度非常大。天主教牧师乔治?拉玛特是第一位研究我们今天叫做大爆炸的宇宙起源。他把这种状态称作“太初原子”。

　　爱因斯坦似乎从未认真地接受过大爆炸。他显然以为，若是人们随着星系的运动在时间上回溯已往，则一个一致膨胀宇宙的简朴模子就会失效，由于星系的很小的倾向速率就会使它们相互错开。他以为，宇宙也许早先有过一个缩短相，在一个相当适度的密度下反弹成现在的膨胀。然而，我们现在知道，为了在早期宇宙中核反应能发生在我们周围观察到的轻元素数目，其密度曾经至少到达每立方英寸10吨，而且温度到达100亿度。况且，微波靠山的观察显示，密度也许一度到达每立方英寸1×10^72吨。我们现在还知道，爱因斯坦的广义相对论不允许宇宙从一个缩短相反弹到现在的膨胀。正如在第二中将要讨论的，罗杰?彭罗斯和我能够证实，广义相对论预言宇宙大爆炸启始。这样爱因斯坦理论简直隐含着时间有一个劈头，虽然他从不喜欢这个头脑。

　　爱因斯坦甚至更不愿意认可广义相对论的预言，即当一个大质量恒星到达其生命的钟点，而且不能发生足够的热去平衡其自身使它缩短的引力时，时间将会到达终点。爱因斯坦以为，这样的恒星将会在一终态清闲下来。然则我们现在知道，对于比太阳质量两倍还大的恒星并不存在终态的结构。这类恒星将会继续缩短直至它们变为黑洞。黑洞是时空中云云弯曲的一个区域，甚至连光线都无法从那里逃出来。

　　直至20世纪20年代爱因斯坦继续研究量子的头脑，然则哥本哈根的威纳.海森堡，剑桥的保罗.狄拉克和苏黎世的厄文.薛定谔的事情使他深为困扰。这些人生长了所谓量子力学的着实的新图象。微笑的离子不再具有确定的位置和速率。相反的，粒子的位置被确定得越准确，其速率则被确定得越不准确，反之亦然。其本定律中的这一随机的不能预见的要素使得爱因斯坦震惊，他从未全盘接受过量子力学。他的著名格言表达了他的感受：“天主不玩骰子”。然而，新的量子定律能够注释整个局限原先的量子定律能够注释整个局限原先未能说明的征象以及和观察极好地相符，以是其他为数不多的科学家欣然接受他们的有效性。它们是现代化学，分子生物学和电子学生长的基础，也是近50年来使天下发生天翻地覆地转变的手艺的基础。

　　天下在上一世纪的改变超过了以往的任一世纪。其缘故原由并非新的政治后经济的教义，而是由于基础科学的提高导致的伟大生长。另有何人比阿尔伯特.爱因斯坦更能代表这些提高呢？