陷入时空

为了描述上述的这种关系，爱因斯坦推导出了一组数学方程式。概括说来，这些方程给定了时间和空间的性质，它们对于宇宙学家们是至关重要的。首先，时间和空间在爱因斯坦的数学表述中看起来是极为相似的东西。因此，牛顿对引力的解释必须完全改写，尽管它似乎是很精确的。爱因斯坦指出，两个物体并非如牛顿所描述的那样直接地互相吸引，而是每个物体对周围的时间和空间产生影响，引力则是这种影响的结果。如果这种解释还难以理解，设想用一个较重的物体（例如炮弹）来代表太阳，把它放置在一大张紧绷的橡胶薄片上，这张橡胶薄片就代表时间和空间；于是，炮弹的重量会使薄片下沉，在炮弹周围形成一个圆锥形的坑。这种形状会令我们回忆起在生活中见过的一个充满水的水池，如果拔下底部排水管上的塞子开始放水，那么在水池中的水面上就会出现一个在旋涡中的圆锥形下陷。

人们经常这样来说明爱因斯坦的广义相对论，用一个放在弹性橡胶垫上的重物来代表恒星或整个星系，再画上一些网格来代表时间和空间。重物的质量越大，空间和时间凹陷的程度也就越深，那些从附近经过的东西也就越难逃脱坠落在这个大质量物体上的命运。

爱因斯坦解释说，当一个大质量的物体以上述的方式引起时空的弯曲时，这种弯曲的时空会自然而然地影响到在其中运动的任何较轻物体的运动轨迹。所以如果用一个较小的球来代表地球或别的行星，那么这个小球（地球或其他行星）就会在代表时空的橡胶薄片上滚向炮弹（太阳）这个大球造成的凹陷（弯曲时空）运动。如果小球运动速度很低，那么它就可能掉入凹陷之中，与大球挨在一起（这就如同牛顿看到的苹果从树上落下，掉到地球表面上）；但如果小球的运动速度足够快，那么它的运动轨迹只会稍稍向凹陷所在的方向偏移一点，然后从另一面滚出来，并继续向前运动。而如果小球的运动速度既不太慢也不太快的话，就会形成它围绕凹陷的不停的圆周运动，这就像杂技运动员有时骑摩托车表演的“飞车走壁”。

乔治·勒梅特（1894—1966），一位天主教教士，也是比利时最著名的天文学家。他在喜欢佳肴和美酒的同时也是教廷科学院最活跃的成员。但是世界各地的科学家们很晚才注意到他的“原始原子”理论。

这样描述引力的数学方程式可以得到与较简单的牛顿方程式相近的结果，但爱因斯坦的结果更精确地给出了水星围绕太阳运动的轨道，而描述水星公转轨道恰恰是牛顿力学所遇到的一个极大的困难。这个例子有力地支持了爱因斯坦的理论，或者说它至少也是对牛顿引力理论的一个非常好的修正。在后面要谈到的关于日全食和星光偏折的例子，更是对爱因斯坦理论正确性的极好的证明。这使得物理学家们从此形成了一种定式的思维：如果一种结果符合爱因斯坦理论，那么它大概就是正确的。

正是在研究爱因斯坦方程的过程中，勒梅特发现了一些足以使他惊喜的东西。从爱因斯坦的数学方程式得到的结果之一是，宇宙并不是稳定不变的，相反地是动态的。要理解这一点非常简单。既然任何具有质量的物体都会使时空发生弯曲，那么一个天体经过另一个天体近旁时，它就会被拉得更近一些。如果宇宙是静态的，那么宇宙中所有物体终将被吸引到一起，因而一切物质迟早都会落入最大的时空凹陷之中。这个问题和牛顿在发现万有引力定律之后所为之忧心忡忡的问题是完全一样的。但宇宙中的物质何以千百万年来一直维持着一种分散状态，而没有因引力作用而形成一个“超级”大块物体呢？然而，牛顿的理论只局限于物体间的相互吸引，爱因斯坦的理论却包括了对质量引起的时空弯曲的数学表述；所以在牛顿的系统中由引力引起的宇宙的全部质量凝聚到一起几乎是不可避免的，但爱因斯坦的系统却不尽如此。在爱因斯坦系统中，时间、空间的状态可以随其中质量存在的情况不同而变化，所以时间、空间都是动态的而非静态的，时空或宇宙都不可能是永恒的。它们可以变得大些或小些，因此可能会有时间、空间慢慢地膨胀或收缩的情况发生。