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爱因斯坦的广义相对论把空间和时间从一个事件在其中发生的被动的背景转变成宇宙动力学的主动参与者。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描述一个静态的，也就是在时间中不变的宇宙解。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深信的，而不惜对该方程进行补缀，添加上称为宇宙常数的一项，使得物体相互离开。宇宙常数在相反的意义上将时空弯曲，使得物体相互离开。宇宙常数的排斥效应可以平衡物质的吸引效应，这样就容许宇宙具有静态解。这是理论物理学的历史中错失的最重大的机会之一。如果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，要么正在收缩，二者必居之一。直至20世纪20年代在威尔逊山上用100英寸望远镜进行观测，人们才认真接受宇宙随时间变化的可能性。
这些观测揭示了，星系和我们像距越远，则越快速地离开我们而去。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加。这个发现排除了为获得静态宇宙解对宇宙常数的重要。爱因斯坦后来把宇宙常数称为他一生中最大的错误。然而，现在看来这也许根本不是什么错误：将在第三章中描述现代观测暗示，也许确实存在一个小的宇宙常数。
广义相对论彻底地改变了有关宇宙起源和命运的讨论。一个静态的宇宙可以存在无限长时间，或者以它目前的形状在过去的某个瞬间创生。然而，如果现在星系正在相互分开，这表明它们过去曾经更加靠近。大约150亿年以前，所有它们都会相互靠在一起，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。他显然认为，如果人们随着星系的运动在时间上回溯过去，则一个一致膨胀宇宙的简单模型就会失效，因为星系的很小的倾向速度就会使它们相互错开。他认为，宇宙也许早先有过一个收缩相，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产生在我们周围观察到的轻元素数量，其密度曾经至少达到每立方英寸10吨，而且温度达到100亿度。况且，微波背景的观测显示，密度也许一度达到每立方英寸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收缩相反弹到现在的膨胀。正如在第二中将要讨论的，罗杰？彭罗斯和我能够证明，广义相对论预言宇宙大爆炸启始。这样爱因斯坦理论的确隐含着时间有一个开端，虽然他从不喜欢这个思想。
爱因斯坦甚至更不愿意承认广义相对论的预言，即当一个大质量恒星到达其生命的钟点，而且不能产生足够的热去平衡其自身使它收缩的引力时，时间将会到达尽头。爱因斯坦认为，这样的恒星将会在一终态安定下来。但是我们现在知道，对于比太阳质量两倍还大的恒星并不存在终态的结构。这类恒星将会继续收缩直至它们变为黑洞。黑洞是时空中如此弯曲的一个区域，甚至连光线都无法从那里逃出来。
彭罗斯和我证明了，广义相对论语言，无论是该恒星，还是任何不慎落入黑洞的可怜的航天员，其时间在黑洞中都将到达终点。但是无论是时间的开端还是终结都是广义相对论不能被定义之处。这样理论不能语言从大爆炸会出现什么。有些人将此视作上帝具有随心所欲创生宇宙的自由启示，但是其他人觉得宇宙的开端应受在其他时刻成立的同样定律的制约。真如将在第三章中所描述的那样，我们为达到这一目标已经取得一些进展。但是我们尚未完全理解宇宙的起源。
广义相对论在讨论大爆炸处失效的原因是它和量子理论不协调。量子理论是20世纪早期的另一项伟大的观念变革。1900年马克思普朗克在柏林发现，如果光只能以分立的称为量子的波包发射或者吸收，就可以结实来自一个炽热物体的辐射。这是向量子理论进展的第一步。1905年爱因斯坦在专利局撰写的开创性论文中的一篇里指出，普朗克的量子假设可以解释所谓的光电效应。光电效应是讲当光照射到某些金属表面时释放电子的方程式。这是现代光检测器和电视摄像机的基础，也正式因为这个工作，爱因斯坦获得了物理学的诺贝尔奖。
直至20世纪20年代爱因斯坦继续研究量子的思想，但是哥本哈根的威纳？海森堡，剑桥的保罗？狄拉克和苏黎世的厄文？薛定谔的工作使他深为困扰。这些人发展了所谓量子力学的实在的新图象。微笑的离子不再具有确定的位置和速度。相反的，粒子的位置被确定得越准确，其速度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可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：“上帝不玩骰子”。然而，新的量子定律能够解释整个范围原先的量子定律能够解释整个范围原先未能阐明的现象以及和观测极好地符合，所以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发展的基础，也是近50年来使世界发生天翻地覆地变化的技术的基础。
1933年12月获悉纳粹和希特勒即将在德国上台，爱因斯坦离开德国并且四个月后放弃德国国籍。他的最后20年是在新泽西普林斯顿的高等数学研究所度过的。
纳粹在德国发动了反对“犹太人科学”运动，而许多德国科学家是犹太人；这是德国不能制造原子弹的部分原因。爱因斯坦和相对论成为这个运动的主要目标。当他听说出版为《100个反爱因斯坦的作家》的一本书时，回答道：“何必要100个人呢？如果我是错了，一个人就足够了。“第二次世界大战之后，他要求盟国政府建立一个世界政府以控制原子弹。1948年他拒绝了担任以色列新国家总统的邀请。他有一回说：“政治是为当前，而一个方程却是一种永恒的东西。”广义相对论的爱因斯坦方程是他最好的墓志铭和纪念物。它们将和宇宙同在。
世界在上一世纪的改变超过了以往的任一世纪。其原因并非新的政治后经济的教义，而是由于基础科学的进步导致的巨大发展。还有何人比阿尔伯特？爱因斯坦更能代表这些进步呢？
第二章 时间的形态
爱因斯坦的广义相对论使时间具有形态。这如何与量子理论相互和谐。
时间为何物？它是否像古老的赞歌说的那样，把我们所有的梦想一卷而空的东流逝波？抑或像一直前进，却又回到线上的早先过站。
19世纪作家查里斯？朗母写到：“世间万物没有任何东西像时间和空间那么使我困惑。然而没有任何东西比时间和空间更少使我烦恼，因为我从不想起它们。”我们中的大多数人早本部分时间不去考虑时间和空间，不管他们为何物；但是我们所有人有时极想知道时间是什么，它如何开始，并且把我们知道何方。
关于时间或者任何别的概念的任何可靠性的科学理论，依照我的意见，都必须基于最可操作的科学哲学之上：这就是卡尔？波普和其他人提出的实证主义的方法。按照这种思维方式，科学理论是一种数学模型，它能描述和整理我们所进行的观测。一种好的理论可在一些最简单假设的基础上描述大范围的现象，并且做出被验证的预言。如果预言和观测相一致，则该理论在这个检验下存活，尽管它永远不能被证明是正确的。另一方面，如果观测和预言先抵触，人们必须将该理论抛弃或者修正。如果人们如同我们那样采用实证主义立场，他就不能说时间究竟为何物。人们说能做的一切，是将所发现的描述成时间的一种非常好的数学模型并且说明它能预言什么。
艾萨克？牛顿在1687年出版的《数学原理》一书中为我们给出时间和空间的第一个数学模型。牛顿担任剑桥的卢卡斯教席。虽然在牛顿那个时代这一教席不用电动驱动。时间和空间在牛顿的模型中是事件发生的背景，但是这种背静不受事件的影响。时间和空间相互分离。时间被认为是一跟单独的线，或者是两端无限延伸的轨道。时间本身被认为是永恒的，这是在它已经并将永远存在的意义上来说的。与此相反，大多数人认为有宇宙是在仅几千年前已多少和现状相同的形态创生的。这使哲学家们忧虑，譬如德国思想家伊曼努尔？康德。如果宇宙的的确确是被创生的，那么为何要在创生之前等待无限久？另一方面，如果宇宙已经存在了很久，为何将要发生的每一件事不早已发生，使得历史早已完结？特别是，威吓宇宙尚未到达热平衡，使得万物都具有相同温度？
康德把这个问题称作“纯粹理性的二律背反”因为它似乎是一个逻辑矛盾；它没有办法解决。但是它只是在牛顿数学模型的矿架里才是矛盾。时间在牛顿模型中是根无限的线，独立于在宇宙发生的东西。然而，正如我们在第一章中看到的，爱因斯坦在1915年提出了一种崭新的数学模型：广义相对论。在爱因斯坦论文以后的年代里，我们添加了一些细节，但是爱因斯坦提出的理论仍然是我们时间和空间的基础。本章和下几章将描述，从爱因斯坦革命性论文之后的年代里我们观念发展。这是许许多多人合作成功的故事，而且我为自己的小贡献感到自豪。
广义相对论把时间维和空间的三维合并形成了所谓的时空。该理论将引力效应集体化为，宇宙中物质和能量的分布引起时空弯曲和畸变，使之不平坦的思想