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理论的诞生
在本世纪的开端，相当多的物理学家都意识到了迈克尔逊一莫雷实验给物理学带来的危机，强调这一点无损于爱因斯坦的功绩。有些学者，例如亨德里克·罗伦兹（Hendrik LorentZ）和亨利·彭加勒（Henri Poincar6），对这场危机的洞察尤为深刻。罗伦兹首先提出（1904年）时间和长度都随参考系速度的变化而变化。1905年，彭加勒在他的论文“论电子的动力学”中引入了一个数学式，后来由赫曼·明可夫斯基（HermannMinkowski）于1908年发展完善，其中把时间作为第四个维度。新的相对论的确已如躁动在母腹中的婴儿。
彭加勒的论文发表后一个月，爱因斯坦的“论运动物体的电动力学”在德国的《物理学杂志》（Annalen der Physik）上发表。当时在伯尔尼专刮局供职的爱因斯坦看来并不知道他的前辈们的工作。狭义相对论之终于诞生，是因为爱因斯坦并不满足于只推导公式，他构造出了一个由光编织成的新时空。
光使时空联姻
我向你们阐述的时间和空间的观念是建立在实验物理基础上的，是实质性的，是牢固可靠的。从现在起，绝对的空间和绝对的时间都不复存在，只有二者的某种结合才有意义。
——曼·明可夫斯基（ 1908）
在伽利略和牛顿的宇宙里，时间和空间是相互完拳种方的。空间有三个维度，就是说，需要有三个坐标来确定空间中的一个点c空间是由欧几里德几何来量度的（几何一词的原义是“大地测量”）。两点之间的最短路线是连接它们的直线，两条平行线只在无穷远处相交，三角形的内角和是180等等。这些定律在学校里被讲授着，因为它们在日常生活中高度精确地成立，两点之间的空间距离总是与测量者无关。
时间只由一个数来量度。与空间维度不同的是，它总是只朝一个方向流驶，从“过去”流向“未来”。由观察上和情理上都可确认，一个事件的原因总是在其结果之前，这种不可逆转的次序称为因果律。
时间与空间一样，对所有观测者都是相同的。既然速度没有上限，所有的钟，无论它们之间的空间距离有多远，都能被即时地调为同步，并继续保持指示出一致的时间。因此，伽利略一牛顿时空的因果结构就归结为，一个在空间同时地延展的现在时间，把过去和将来分离开来。
把时间和空间作为独立实体的观念遭到与牛顿同时代的数学家和哲学家威尔赫姆’莱布尼兹（WilhelmLeibniz）的强烈反对。他以哲学论据坚持时间和空间只能是联系于物质而存在。两个世纪后，爱因斯坦的相对论证实了莱布尼兹的观点，时间间限和空间距离都不再是固定的量，它们依赖于观测者与被观测物体之间的相对速度。伽利略一牛顿的绝对时空结构让位于一种新的四维结构，即明可夫斯基时空。
时空中的一个点是一个事件，由三个空间坐标和一个时间坐标来确定。两个事件间的间隔是不变量（即不依赖于参考系），但现在是时间间隔和空间间隔的结合，每一个都不再单独守恒。
本书将频繁使用的一种能清晰地表述时空结构的方式是光锥。想象空间中的一个点和一条由该点发射的光线，在一个没有任何物质的空间，光波的波前是一个以发射点为中心的圆球，这个球以光速随时间膨胀（图阿。仍略去空间的一维，光波就能由该图表示。随时间膨胀的光球在图中成为一个圆锥，其顶点是光所发出的位置和时刻（即一个事件），光锥描述光线发出后的经历。
图5是另一幅时空图，显示几个事件的光锥。对某一给定事件E光推由两片组成，一片属于过去，一片属于将来。所有由E发出的光线和过去发射并经过E点的光线都进入E的将来锥。
狭义相对论的基本出发点是任何粒子都不可能运动得比光更快，光速是一个绝对恒星。这就是说，l秒钟内任何粒子走过的距离不可能大于3
0公里，而光则精确地走过这个距离。在时空图上是这样来显示的，所有粒子的世界线（用以称呼时空轨迹的名词）都位于光锥内部，而作为极限的光子（光的粒子）世界线则严格地座落在光锥面上，因为光锥正是由光线来规定的。
在明可夫斯基时空里，光速是信号传递的极限速度，这使得其因果结构与牛顿时空的大不相同。对某一事件E光锥把所有的时空事件分成两种：能够被来自E的电磁信号所影响的事件（光锥内部）和不可能被影响的事件（光锥外部，或称“外界”）。狭义相对论禁止任何一条世界线从光锥内穿到外界，也禁止反向穿越（这并不排除完全处于外界区的世界线。有人假设了一种在外界区以超光速运动的粒子，称为“快于”，但是关于这种粒子的理论有许多棘手的问题，在实验室里也从来没有探测到其存在）。
总之，光线的轨迹使我们能够构造出一个时空连续体的框架。狭义相对论中没有引力，所有的光锥都是相互平行的，因此，明可夫斯基的时空连续体是刚性的，或者说是平直的。伽利略和牛顿的时空分离的观念被统一的时空观念代替了。
时间游戏
爱因斯坦相对论给因果律加进了时间弹性，一个观测者随身携带的钟测量的时间称为原时，与相对观测者运动的钟所测量的时间是不同的。尽管这种差别只是在速度接近于光速时才变得显著，这个新的时间律还是带来了令人惊讶的后果。
著名的双生子佯谬已被谈得很多了。年龄为20岁的双生于，其中一个去作探索宇宙的旅行，他以297000公里／秒的恒定速度（光速的99％）飞到一个20光年之遥的行星上，并立即返回。他携带的钟表明自己出门在外6年，但留在地球上的那一个却说已过去了4o 年。他们二人所经历的时间确实是不同的，生物钟也像原子钟一样会受影响。两兄弟的年龄也可以用他们心跳的次数来测量，宇航员回来时确实只有26岁，而他的同胞兄弟已是60岁。
这个惊人的结果由法国物理学家泡尔·郎之万（PaulLangevin）于1911年作了解释：在所有连结两个事件（在双生子故事中是飞船从地球出发和回到地球）的世界线中，没有加速度的那一条所耗的时间最长（图6）。宇航员在其航程中必须加速和减速，这两种情况的效果并不相抵消，他的原时因而总是比他的兄弟短得多（年龄的差别并不仅仅取决于旅行者的加速度，而且还有赖于航行的总持续时间，这里单讲加速度只是为将宇航员时间与地球时间作比较）。虽然看似荒唐，双生子的幻想故事并不意味着爱因斯坦相对论的任何内在矛盾，而是表明了时间弹性的必然后果。
虽然相对论不允许我们运动得比光速更快，但它并非阻碍了而是促进了对深层空间的探索。将上面的双生子故事（其中假定瞬时加速）变一下，现在假定飞船有一个恒定的加速度（相对于它的瞬时惯性参考系），其大小等于地球表面上的引力加速度，这对宇航员来说要舒服得多。飞船的速度将迅速增大到接近于光速，而不能达到光速，飞船上的时间将过得比地球上没得多。按照它自己的钟，飞船将用2．5年时间飞到最邻近的恒星（比邻星），它与地球相距4光年；经过大约45年，飞船就飞出了40光年；经过10年就到了银河系中心，而地球上将是过了15000年；在25年里（短于宇航员的年龄），飞船将能在整个可观测的宇宙中邀游一周，行程是300亿光年！但这时的飞船最好不要再返回地球，因为太阳早已将行星都烧成灰烬，自己也早已熄火。
可是，这个异想天开的航行是实现不了的，因为需要有巨大的能量来维持飞船的加速。最好的方法似乎是把飞船自身的物质转化为前进的能量，但即使转换效率为百分之百，飞船在到达银河系中心时所剩的质量已只有出发时的十亿分之一，一座大山缩成了一只老鼠。
相对论炸弹
我要是早知道，就会去做个造钟表的工匠。
——阿尔伯特·爱因斯坦
狭义相对论是得到最好验证的物理理论之一。弹性时间的奇异现象已由实验证实，不过不是在人体上（那太痫苦了），而是用基本粒子，把它们加速到接近光速所需的能量不难提供。高精度原子钟也被放到了飞船里，返回地面时它所显示的时间的确比地球上的钟要短（如果有人愿意在一架以1000公里／小时的速度飞行的飞机里坐上60年，与地面上的人相比他只能赚到千分之一秒的时间）。当然，惯性系之间的变换公式、四维时空结构以及时间弹性等，都是比较抽象的概念。狭义相对论之所以著名，是由于它所揭示的质量与能量的等价性，即E＝me’这个简单公式。
1905年，还猜不出狭义相对论有什么实际应用，但它在哲学上的冲击作用是立即显示出来了。维持了数千年的信念被证明并不适合于真实世界。有些哲学家如本格森（Bergron）拒绝改变自己对世界的观念，而把爱因斯坦理论看作一种纯粹抽象的东西。对狭义相对论可靠性的怀疑要以广岛被原子弹毁灭为代价来消除，这真是一种可悲的讽刺。
狭义相对论支配着所有涉及高速度、高能量的现象。宇宙线流撞击高层大气会产生介子（一种基本粒子）簇射，这些介子的飞行时间（由地球上看）是它们寿命的50倍。更重要的是，狭义相对论使我们得以理解为什么太阳能发光，那是因为它那里每秒钟有400万吨物质被转化成能量辐射出来。
我们在这里清楚地看到了狭义相对论与天体物理之间的联系。但是，作为本书主题的黑洞与狭义相对论毫不相干。黑洞是引力的产物，而狭义相对论的时空连续体所描述的是一个理想化的真空，在其中运动的只有电磁波和重量小得可以忽略的粒子。在真实的恒星、星系和黑洞的宇宙里，所有物体都受到引力。为了对此有所理解，我们必须继续“破坏”时空，而这一次的斗士就是广义相对论。第三章 弯曲时空
等效原理
我相信，单纯的思考足以了解世界观
——阿尔伯特·爱因斯坦
爱因斯坦在1905年既复活了光的微粒说，又维护了麦克斯韦电磁理论的正确性，但是他发觉自己进退维谷。关于辐射的这两个概念是相互矛盾的：如果光是由粒子组成，那么按照万有引力定律，它就会受别的物质影响，果若如此，光速又怎能如狭义相对论要求的那样是绝对恒星呢？
这个矛盾当然应归根于引力。引力在宇宙中无处不有，并使所有物质加速，而狭义相对论的惯性系是严格地没有加速度的。爱因斯坦很清楚这个症结，并认识到，要使引力能与狭义相对论的电磁时空相协调，首先必须重新理解“力”的概念本身。
牛顿万有引力定律要求一切物体都具有一种称为引力质量的内在属性，用以量度每个物体所能产生的引力。此外，牛顿还用三个基本定律概括了物体在任何力（引力或别的力）作用下的行为。第一定律简单地说就是笛卡儿的惯性原理：不受力的物体保持静止或作匀速直线运动；第二定律规定使一个物体加速的力与物体的加速度和质量都成正比（即人们熟知的公式F＝ma）；第三定律陈述作用与反作用的平等性：每一个力（例如人推墙的力）都伴之以一个大小相等、方向相反的力（墙也推人）。
所以，牛顿的力是使物体偏离其惯性运动的原因。物体总是反抗对其惯性状态的改变，这种反抗由其惯性质量来量度。按照这个思路，万有引力同其他任何力一样，也是一种力，而引力质量之于引力恰如电荷之于电力。我们知道，惯性质量相同而带电荷不同的物体在同一电场中受到不同的加速，因而在牛顿理论中就没有理由认为引力质量和惯性质量必定相等。
但是，伽利略和牛顿所观察到的引力的基本性质，正是他心引力同样地加速所有物体，而与物体的惯性质量或引力质量、体积以及化学性质都无关。一片羽毛、一个分子或是一块砖，在地球表面附近释放后都同样具有义8米／秒’的加速度（也就是说，假如没有空气阻力，它们的速度每秒钟都增加98米／秒，在第一秒求是人8米／秒，在第二秒末是1入6米／秒，等等。这个恒定的加速度正是地球表面的引力加速度）。
这意味着，不仅根本不存在“引力中性”的物体，而且所有物体都具有完全一样的相应引力荷。这只有在引力质量与惯性质量严格�