21.2 广义相对论与宇宙学
现代宇宙学是建立在爱因斯坦广义相对论基础上的。1916 年，爱因斯坦将狭义相对论推广为广义相对论，把万有引力纳入相对论的框架，提出了物质会使时空发生弯曲，而引力场实质上就是弯曲时空的观点。也就是说，引力实际上就是物体在弯曲时空中运动的表现。物理学家惠勒曾用一句话来概括：
“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。”
时空可不是软柿子，不是随随便便就能弯曲的，只有具有天体质量的物体才能让它明显弯曲。我们可以设想一下，你把一个铁球放到橡胶垫子上，铁球周围的垫子会被压出一个凹坑，橡胶垫出现了弯曲，但是你说这个铁球能使时空弯曲多少，那就基本为零了，时空的弯曲程度可以忽略不计。我们可以做一个简单的比较：假设橡胶垫子的坚硬程度为1，那么钢的坚硬度是1011，时空的坚硬度则高达1043，如此高的坚硬度，也只有天体能让它弯曲了！
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时空竟然比钢铁还坚硬亿万倍，这太荒谬了吧？！这也许是你的第一反应。但是，让我们静下心来好好想一想就会发现这是可以理解的。
铁球能让橡胶垫弯曲，这是因为橡胶垫支撑住了铁球的质量，如果放在一张纸上，铁球就会把纸压破掉到纸外去，所以橡胶垫比纸坚硬。那么你想一想，什么东西能承载质量是天文数字的各种天体呢？唯有时空！
天体在不停地运动，就像铁球在橡胶垫上不停滚动，天体可以把经过的时空“压”弯，但不会掉出去（如果掉出去，就到了另外一个宇宙的时空中了）。
关于时空的坚硬度，还可以换一个角度来看。时间一旦流逝就再难改变，想让时间维度伸缩那是难上加难，这岂不是坚硬无比吗？
当然，时空的弯曲和橡胶垫的弯曲是不同的，因为橡胶垫是三维物体，它的弯曲我们很容易看到，而时空是四维的，四维时空本身就很难想象其图像了，至于其如何弯曲就更难想象了。假如有一个生活在橡胶垫表面（图21-2 的xy 平面）的二维人，他是无法想象橡胶垫在厚度方向（z 方向）的弯曲的，他只能通过测量xy 平面的弯曲来间接证明z 方向的弯曲。如果你非常想知道四维时空弯曲的图像，那么可以把图21-2 中的xy 平面看作三维空间，z 轴看为时间轴，那么时空的弯曲就是图中的样子了。当然，我们虽然难以想象四维时空的弯曲是什么样子的，但可以间接证明它。爱因斯坦根据时空弯曲作出的天文学预言后来被一一验证，证明了时空弯曲是实实在在存在的。
爱因斯坦指出，在引力场中，自由粒子沿时空短程线运动。大质量的天体会使周围的时空发生明显弯曲，从而使通过其中的光线发生弯曲。当然，光是沿着最短路径行进的，但由于空间本身发生了弯曲，所以在空间中行进的光线也会跟着弯曲，它不可能突破三维空间跑到四维空间中去走直线。
图21-2 生活在xy 平面内的二维人无法想象z 方向的弯曲
射电天文学的发展为验证光在引力场中的偏转提供了精确的工具。如果射电星发射的电磁波（也就是光）经过太阳旁边，相应的电磁波就会受到引力场的作用而发生偏转。1974 年，美国科学家利用两个相距为3000km 的射电望远镜，测量了波长为11.1cm 的射电波，结果表明：经过太阳附近的射电波确实发生了偏转。这就证明了太阳附近的空间确实发生了弯曲。科学家们还通过光谱线引力红移和雷达回波延迟等效应证明了大质量天体附近的时间也是弯曲的。
时空的性质由引力决定，即由产生引力的物质决定。广义相对论的引力场方程（又称爱因斯坦场方程），是广义相对论的核心，它使用数学语言精确地描述了物质及其运动与时空的几何结构的关系。引力场方程并不复杂，但是它竟然可以描述宇宙的创生及演化过程，这实在是让世人为之惊叹。现在的宇宙模型就是在广义相对论的基础上发展建立的。
1917 年，在提出广义相对论之后不久，爱因斯坦就开始思考如何将这一理论用于宇宙研究。当时天文学家们仅仅只了解我们的银河系，甚至认为银河系就是整个宇宙，因而自然而然地认为宇宙是静态的——既不膨胀，又不收缩。但是爱因斯坦惊讶地发现，引力场方程描述的宇宙是动态的，不是膨胀就是收缩，永远不会是静止的。为了使宇宙保持静态，爱因斯坦只好假设另外有一个反引力与引力相抗衡。于是，他在引力场方程中引入了一个新的常数，并称为“宇宙常数”，用希腊字母λ 表示。
1929 年之后，天文学家们已经认识到，银河系只不过是诸多星系中的一个，遥远的星系正在离我们而去，宇宙不是静态的，而是膨胀的。爱因斯坦得知后马上放弃了宇宙常数，并将引入宇宙常数评价为自己一生中“最大的失误”。
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山重水复疑无路，柳暗花明又一村。从1998 年起，越来越多的天文观测证据表明，宇宙不但在膨胀，而且在加速膨胀，这就意味着的确有一个与引力相抗衡的力，宇宙常数可能确实存在。现代量子宇宙论认为，宇宙常数是宇宙量子真空涨落的结果，等效于真空能量密度。也就是说，爱因斯坦的宇宙常数在今天看来，就是真空能。但是人们发现当前宇宙常数值太小，而且宇宙常数与现在的宇宙物质密度巧合地具有相同的数量级。对此现有物理学理论还无法给出合理的解释，因此宇宙常数问题也成为物理学和天文学上的重大疑难之一。
广义相对论解释了宇宙天体中的许多现象，预言了黑洞、虫洞等的存在，开辟了探索宇宙本质的新视野，为现代宇宙学奠定了坚实的基础。
