一个世纪前，爱因斯坦改变了人类观察宇宙的方式。直到现在，他的研究仍能带给我们新的发现。
“阿尔佛雷德，它在旋转。”罗伊 克尔，这位新西兰出生的，快三十岁的物理学家在半个小时内一根烟接一根的抽着，原来正在解决一个棘手的数学问题。阿尔佛雷德 席尔德，他在德克萨斯大学新建立的相对论中心的老板，也坐在旁边注视着他。现在，打破了沉寂，克尔放下铅笔。他一直寻找爱因斯坦广义相对理论公式的一个新的解法，现在，从他的数字和符号中，至少可以准确的描述时空（公式描述的四维宇宙标架场：Universal Fabric）如何被包裹在一个旋转的球中。他已经找到了梦寐以求的答案。
这发生在1962年，广义相对论已经发表了将近半个世纪。习惯上认为它是人类智慧最高的成就之一。而且也是智力停滞不前的一个方面。数学上，它是复杂的，而且和现实世界那些简单的模型鲜有相关，因此人们并未广泛研究。克尔旋转解法改变了这个现状。非常漂亮的，把宇宙中所有的事物在不同比率下，都是这个系统的一部分，新的解法下和现实的世界有了关联，相比以前在这领域的不足，这是非常了不起的一点。它以一个理论基础，在科学上理解了一个奇异的物体，不久大众就它着迷：黑洞。
1915年11月，在普鲁士科学院的四堂课中，提出了广义相对论；随后在12月2号发表。起先，这个理论阐述并未引起人们的注意，不同于量子理论，这是二十世纪物理中唯一能和相对论相比的革命发现。它并未在当时物理学家最关心得到问题上提供思路。然而，它很快得到广泛的人口，尤其是它数学表达上十足的美感，一百年来，在科学理论中，不包括它的任何关于美学的讨论，都是不完整的。
当重力作用失效时
今天，它的表现远远超出它的优雅。它对现代宇宙学的气管提供了理论支撑，从黑洞到宇宙大爆炸。最近证明，它的公式在描述早期物理物质中也有价值。而且，可能还有一些秘密有待发现：还有大量实验见证，在宇宙提供的最极端物理环境下，这个理论是如何持续的。
“狭义相对论”是爱因斯坦在1905年三大突破性成就之一，从而确立了他在学术界的声望，而广义相对论理论是爱因斯坦对狭义相对论的完善。这个理论让大家戏剧性的放弃了由来已久的对世界的认知：绝对的时间和空间，转而支持一个四维的时空（三个空间维度和一个临时维度）。在这个新的时空下，观察者在量算时间和长度时，不同速度移动下得到不同的答案：比如，面向一个静止的观察着，一个快速移动的钟，相比静止的钟，显示的时间会变慢。唯一确定的是所有观察者都认为光速C不变（而且在著名的物质和能量转换等式E=mc2，扮演主要作用）。
狭义相对论只适用在特定情况：观察者在直线上匀速。爱因斯坦知道，需要一个更广泛的理论来解决加速度。它也需要调解牛顿的引力论，引力论只依赖绝对的空间，完全没有明确提到时间，而且相信行动不是以光速，而是瞬时速度。
通过大脑的实验，爱因斯坦完善了他所有关于相对论的想法：对高度程式化的事物情况进行了认真假设的评估。在1907年，基于这些实验，激发了一个他后来认为最快乐的想法：从悬崖下跌落的人不会感觉到他自身的重量。他意思到，自由落体的物质感受不到重力。但是，重力下弯曲的轨道，比如高尔夫球或行星的路线，看上去隐含着某些种类的推拉。如果高尔夫球或行星也像人们从悬崖跌落，感受不到这种推拉力，他们为什么不会直线下降？
爱因斯坦随后对这种行为的断言诞生了广义相对论的中心才华。物体的自由落体，就像光线在时空中保持直线。但时空自身弯曲了。而且这使得弯曲集中。重力不是一种力，而是时空的扭曲。因此物理学家约翰 惠勒，十年后对诡异的物理现象给出了简单有力的格言：“时空告诉物质如何运动；物质告诉时空如何弯曲。”
问题在于，为了在这个思想上建立一个理论，爱因斯坦需要在包裹的四维时空下，建立这些描述。牛顿和其他人所用的欧几里得几何不能胜任这些工作；不得不面对根本的区别和更有挑战性的数学。麦克斯 普朗克，引起量子力学革命性突破的物理学家认为，这给爱因斯坦一个无法逾越的难题。“我必须忠告你对抗它，”在1913年写给爱因斯坦的信中这样写道，“因为首先你不会成功，而且即使你成功了，没人会相信你。”
尽管如此，对爱因斯坦来说，很巧合的是，一位大学老友，麻赛•格罗斯曼是黎曼几何的专家，之前在纯数学中，黎曼几何的创建可以描述弯曲的多维表面，在1915年爱因斯坦的授课中，爱因斯坦使用这种非传统的几何，把他的重要思想归纳为优雅，太极为复杂的数学方程，通过这些方式成而为人所知。
仅仅在12月25号，在开始第四堂课前，他意识到，相比在头脑中的实验和方程式，还有更多的内容可以提供参考。天文学家很早就知道这一点，水星围绕太阳的轨道不定时的变换，而牛顿的引力论无法解释。在1840年代，天王星的奇特轨道说明它受到了较远行星的影响；随后海王星的发现，验证了牛顿理论的正确性，而让人们欢之雀跃。但试图以一个未发现的行星为依据来解释水星行为的不寻常，最后以失败告终。
成名已久
爱因斯坦发现，近太阳下的时空的曲率可以很好的解释水星的行为。在同时期的授课中，这是他唯一可以指出的，以前科学无法解释，但是广义相对论可以解释的现象。很多科学家认为这个理论在“树立爱因斯坦更卓越，任何他无法解释的神秘现象都无法激发他的动力”方面没有价值，马丁•里斯，英国皇家天文学家是其中一位。他简单的凭借自己的观察认为，万物都必须是某种重力，都需要用数学之美来描述。
广义相对论发表后，爱因斯坦开始通过观测，寻找可以验证的方式。其中一个是当太阳日食的时候，对天空中同一个区域，位置确定的恒星，对比不同时间下他们的位置。光线就像正在自由落体的对象，时空中的轨迹是直的。因为太阳质量包裹时空，当射线绕过太阳时，恒星的位置看上去改变了（看图示）。
在1919年，亚瑟•爱丁顿，著名的英国天文学家声明，在大西洋普林西比岛观测的日食显示了爱因斯坦所预测的扭曲（他的一副图片如图所示）。“天空中的光线都弯曲了”，纽约时报头条这样写道，并辅助性的家了一条“任何人都不需要担心”。爱因斯坦当时很高兴，更加确信他的思想而不再焦虑不安。当有人问他，如果爱丁顿发现了一个不同的结果，他会怎么办，他回答，“那我只能对真主说一声道歉了。因为理论是正确的。”
整个世界都知道了，爱丁顿的结果将广义相对论或多或少提高到了毋庸置疑的位置。但如何让它成为主流。因为它很难理解。在公共场合，甚至爱丁顿有时候也会难住，不确定他是否是“全世界了解广义相对论的三个人之一”。有时他会谦虚的打破沉默，回复到“另一方面，我也在努力思考，谁会是第三个人！”
广义相对论也看上去有点无关紧要。普朗克创建的量子革命已经开始，对此，爱因斯坦在1905年贡献了另一篇他的伟大论文，并结出了迷人的果实。对原子核的理解一起进入了一个繁荣时期，这是物理学家注意的中心。狭义相对论在这个兴奋点上也起到了作用，最著名的表达式E=mc2给出了存储在这些迷人的原子核中的能力的量算方式，而广义相对论并没有什么贡献。
取而代之的是，它提出了一种提问的方式，不再是宇宙是什么，而是作为一个整体，宇宙的结构是什么。方程式中有多个解，可以证明宇宙正在膨胀；而有些则证明它在收缩。这成立他和荷兰物理学家威廉•德西特（发现了宇宙扩张解）之间充满激情的争论。爱因斯坦想要一个静止的宇宙。在1917年，他给方程式增加了一个宇宙常量，可以在一定大小下用于固定宇宙。
1929年，当一位美国天文学家拿出强有力的证据，证明宇宙确实越来越大，这变得有点尬尴。威廉•德西特量算了来自遥远星系的光线的颜色，作为研究他们运动的一种方式；来自正在接近地球的物体的光线看上去更蓝，否则来自后退物体的光线看上去更红。哈勃发现，平均来说，星系距离远大，它的光线越偏向红色；他们离开的越远，事物后退的越快。这些红色的偏移所提供的宇宙扩张的证据让爱因斯坦取消了宇宙常量，并成为一生中最打的鲁莽。
这个理论用在了一些早期停滞不前的应用中。在1930年代，原子物理学家研究得出，恒星从核反应中获取能量，而且这些反应用过了恒星的燃料，恒星则会崩溃。像太阳这样的星体则会瓦解为一个和地球一样大小的“白矮星”。更大的恒星则进一步瓦解为和原子核密度一样的“中子星”，而且只有20公里左右。而最大的恒星则会瓦解成一个长宽深但有无限密度的一个东西：一个奇点。
对数学思维而言，在理论上找到一个奇点是很不爽的，他们通常表示答案有错。爱因斯坦不想在他的宇宙中遇到任何奇点，而且在1939年他发表的一篇论文中，他试图证明，在一个奇点可以形成前，一个巨大的恒星将会停滞。罗伯特•奥本海默，伯克利的一位年轻的天才物理学家，使用相同的物理相对论反驳这位巨人，而且建议，这样的一个极端瓦解是可能的。时空在急剧包裹时，他们会创建一个区域，这个区域内，无论是光还是其他东西都不能逃离：黑洞。
尽管奥本海默的论文发表的当天，德国入侵了波兰，将这个争论退后。但一个月前，爱因斯坦给富兰克林 罗斯福写了一封信，并突出了E=mc2 的军事应用。它将用于实现某种应用，而不是黑洞，从而让人们记住了奥本海默（曼哈顿计划的领导者）。
部分因为奥本海默和政府间出奇的成功，物理研究的新的程度在战后繁荣发展。一个领域就是射电天文学，揭露的宇宙中戏剧的一面，而用光线的观察则不会有任何暗示。在它的发现中是无线电波的源，看上去同一时间非常小（大小），但特别的强大（能量），通过红色偏移的判断，非常的远。天文学家称为类星体，而且想知道，什么能够从一个比银河系大一点的体积下，产生具有百亿个恒星能量的广播信号。
罗伊 克尔对广义相对论的解提供了答案：一个特大质量的旋转的黑洞。他的旋转能在黑洞外围创建一个“事件视界“——在该点上，光和所有其他事物都不会返回——在这里，向内跌落的物质将会自旋向上，达到巨大的速度。某些这样的物质将会沿着旋转轴被喷出，形成了在在类星体的广播射线下看到的喷射。
如烟的消失
这是第一次，广义相对论解释了世界的一个新现象。聪明的，年轻的思维进入了这个领域：数十年来不活跃的那些疯狂的猜测的思想进一步开创并发展。时空中出现了虫洞的说法，看上去可以在宇宙间实现远距离的传送。他们是你闭合的，时间一样的弯曲，看上去，通过他们可以穿越到过去。少了一些猜测，但伴随着一些深刻的影响，斯提芬霍金，一位物理学家（下图，和一个类星体），和罗杰•彭罗斯，一位数学家，显示了在黑洞中，奇点的相对描述可以用来描述宇宙大爆炸就是宇宙膨胀的开始——实际上，这是搞清宇宙的唯一方式。广义相对论给人们他们第一次宇宙创建的物理记载（physical account of the creation）。
霍金博士继续把量子理论的元素引入到黑洞的理解中。量子力学中认为，如果你以最小尺度来观察空间，你将会看到一个持续的发酵，成对的粒子会涌现并重组而虚无。霍金博士争论到，当这在黑洞的事件视界发生时，一些粒子会被吞没，一些可以逃离。这些逃离的粒子意味着，用霍金的话说，“黑洞并没有那么黑“——他们可以释放一些称为霍金射线的东西。以这样的方式丢失的能量最终来自于黑洞本身，在这个过程中，放弃了部分质量。因此，看上去，黑洞也会偶尔蒸发，虚无。
添加量子力学来描述黑瞳是在理论物种中，可能的最大的挑战的开始：用一种可以解释所有问题的方式来重新调整可以描述宇宙中所有领域和粒子的理论。这两个理论以非常不同的方式看待现实。在量子论中，一切都零碎的在一定尺度下。相对论的方程式则基本平滑(量子是非连续的，而相对论是连续的)。量子力学专门处理可能性的问题——不是因为信息的缺失，而是因为真实世界正是如此。在相对论中一切都是确定的。而且量子力学是非局部的：在一个地方的对象的行为可能受到千里以外或者数光年远的另一个对象的牵连。相对论则自负的认为是局部的：爱因斯坦确信，当一个更好的理解到来时，量子力学中的“幽灵般的远距离作用“将会消失。
不是的，实验确认了物理世界下对非局部本性后。量子理论在其他方面也有惊人的成功。量子理论丰富了电磁学和强弱核力间的相互关联——保持大多数原则在一起和分离的过程。现在，这个统一的标准模型涵盖了所有物质观察的形式和他们之间的相互作用——处理那些归咎于重力的。
有些人可能洋洋自得，仅仅让每一个理论在它们有利的方面使用，不需要顾虑未来。但像这样的人不会成为理论物理学家。他们不曾解释过宇宙大爆炸的复杂——对宏达的大统一理论的巨大考验永不停息的进行着。在宇宙的出奇，时空自身看上去受到波动种类的限制，这是量子世界的基础（就像霍金射线的原因）。了解这些鬼把戏的中心，要求一个能够合并两个方案的理论。
（解释：橙色的是一个光源，中间绿色的将光束分为两束，两束光遵循的波长相同（对应蓝色和深蓝色），最终又合称为一个光束。而左边没有重力波下，合成后波长还是相同，而右边收到重力波作用，波长不同。）
在这方面有很多丰富而微妙的尝试。潘洛斯博士花费了数年，精心安排了一个优雅的方式来观测所有作用域和粒子，一个新的数学化的概念称为“扭量”。其他人则追求一种方式，在圈量子引力论的题目下，增加量子片段到时空结构。然后出现了这个例外的简单万物理论——其实并不（简单）。史蒂文•温伯格是一位大统一论者，他的工作建立了一个标准模型，提到这个理论，他说“有很多理论，但只有很少的观测结果，所以我们还差的很远。”
温伯格博士，就像他的很多同僚，倾向于一种称为超级弦论的方案。它是在添加了很多特征的标准模型的产物的产物，看上去他们可以有助于时空的理解，而且它的支持者也找到了数学上令人陶醉的方面。Ed Witten，任职普林斯顿大学高等研究院（IAS），爱因斯坦最后22年的研究和生活的地方，是其中一位将这个理论提高到当前备受瞩目的地位。但是他也警告道，很多理论还有待发现，而且没人知道有多少。“我们只了解了只言片语——但是仅有的这些也美不胜收。”
到1915年11月，这些零碎的进展，如同Witten所说，在进展中提供了一个很好的产物。“在广义相对论中，在他得到这个理论前，爱因斯坦已经有着这个概念。这也是为何它建立的部分原因：当它公式化后，它就完整了。”他说到。“弦论则恰恰相反，通过几十年前很多愉悦的意外才发现了很多证明。”
在蓝海中纠缠
这些愉悦的意外还在继续。在1997年，胡安•马尔达西那，一位阿根廷理论学家，现在也在IAS工作显示，在量子立场中，共形场论的公式和称为反德西特空间（原源自Willem 德西特，和宇宙膨胀解相思，但是精致，而且深受弦理论学家的喜爱）爱因斯坦的方程式之间有一个深刻的联系。虽没有提供一个现实世界的解释，但他们之间的联系让物理学家在量子力学中重新处理棘手的问题，将其转为广义相对论下发现的方程式种类，从让让他们可以更容易的破解。
在材料科学中这个方法开始有效的使用来解决问题，吵到和量子计算机。这也是“在一个完全意想不到的方式影响这个领域，”李奥纳特•苏士侃，斯坦福大学教授说。“这是在我们的工具和方法论，以及关于如何把现象联系在一起的思维方式上的转移。”通过以这种方式观察事物，马尔达塞纳博士和苏士侃博士发展了一个可能：虫洞的相对允许（在反德西特空间中可以找到）可能和量子力学中长距离粒子间的缠绕是同一个事情。爱因斯坦幽灵空间的讽刺所扮演的重要作用还未引起人们的注意。
相比相对论在一些不可预见的，相继发现的理论的可能的包容，相对论的未来还有更多的意义。就像提出一个理解宇宙的新的方式，它也提供了一种新的观测方式。
这是有用的，因为宇宙中很多的片段在其他方式下很难观测。宇宙的大部分由暗物质组成，它们不会释放射线。但他们有质量，因此它们会弯曲空间，就像日食的太阳扭曲了爱丁顿恒星那样扭曲更长远物质的图像。研究通过所谓的引力透镜产生的扭曲——即清楚（下图，和爱因斯坦一起），也是黑暗的——允许天文学家用当今最好的望远镜获取的最精确的深空影像，用一种新的方式来量算环绕宇宙的质量的扭曲。
相对论协助下的天文学的另一种形式则直接使用引力场。爱因斯坦的方程式预测，当物质环绕对方加速时，他们会在时空中产生涟漪：引力波。就像黑洞和宇宙膨胀，爱因斯坦并不热衷这个观点。再一次，后来的研究显示这是正确的。1970年代发现了一队中子星互相旋转，就是一个精确的，应该产生波的这类系统。但产生引力波需要能量，它的释放意味着这些中子星应该会有所丢失。而且这得到了证明——相对论预测的比率完全精准。这种间接的但令人信服的发现获得了1993年的诺贝尔奖。
然而，还没人能够通过捕捉时空时空的扩张或收缩（这本应该顺便观测到）在实践中看到一个波，因为包含的效果可笑的小。但美国的研究者最近升级了激光干涉引力波天文台（LIGO）现在认为他们可以做到。在LIGO的两个设备上，一个在路易斯安那州，一个在华盛顿州，在探测器中融合生成一个模型前，激光束会在4千米长的管道中上下反弹几十次。通过一个原子核半径的细微的分数，一个经过的引力波会压扁时空，其中一个管道如此操作，另一个管道不这样操作，这样该模型会产生一个明显的变化。（就是之前捕捉波的图示的过程）。在两个案例上对比量算可以给出一个合理的波的方向。
更进一步接近光明
目标并不只是检测引力波——尽管这是一个卓越的成就——但学习产生他们的过程，比如中子星的兼并和黑洞。在这种灾难下弯曲效果的强度不同于迄今我们看到的任何事；他们的观测将对理论提供一个全新的测试类型。
而且历史告诉我们，还有彻底的，不曾预料的发现。基普•索恩，在加利福尼亚科技研究院的相对论专家和LIGO的联合创始人，说到“每次我们通过射线，打开一扇通往宇宙的新的窗口，都会有意想不到的惊喜。”比如，射电天文学的先驱从未暗示，他们将会发现一个全是类星体的宇宙——那是黑洞。一个未来全球阵列的引力波检测将会打开一个观测天文学的全新分支。
一个世纪前，广义相对论回答了一个除了它的创造者外，没人问的问题。很多情况下，很多理论都只是让一两人偶然发现的；但如果爱因斯坦没有花费数年，计算出时空的曲率，重力的本质可能数十年都不会被发现。现在，他改变了天文学家思考宇宙的方式，激励他们尝试和建立更多的理论来解释它的起源，甚至提议新的方式来检测它的内容。而且也是爱因斯坦最为人称赞的地方：它单一的美，第一次独自的展现在他的眼前，而如今被所有追随者所欣赏。“爱因斯坦广义相对论的方程式是他最好的墓志铭和回忆，”史蒂芬•霍金写到。“它们应该和宇宙一样长存。”