我們現在關於物體運動的觀念來自於伽利略和牛頓。在他們之前，人們相信亞里士多德，他說物體的自然狀態是靜止的，並且只有在受到力或衝擊的推動時才運動。這樣，重的物體比輕的物體下落得更快，因為它受到更大的將其拉向地球的力。
亞里士多德的傳統觀點還以為，人們依靠純粹思維即可以找出所有制約宇宙的定律：不必要用觀測去檢驗之。這樣，在伽利略之前，沒有一個人想看看不同重量的物體是否確實以不同速度下落。據說，伽利略從比薩斜塔上將重物落下，從而證明了亞里士多德的信念是錯的。這故事幾乎不足以信，但是伽利略的確做了一些等效的事——讓不同重量的球沿光滑的斜面上滾下。這情況類似於重物的垂直下落，只是因為速度小而更容易觀察而已。伽利略的測量指出，不管物體的重量多少，其速度增加的速率是一樣的。例如，你在一個沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上釋放1個球，則1秒鐘後球的速度為每秒1米，2秒鐘後為每秒2米，等等，而不管這個球多重。當然，一個鉛錘比一片羽毛下落得更快些，那只是因為空氣阻力將羽毛的速度降低。如果一個人釋放兩個不受任何空氣阻力的物體，例如兩個不同的鉛錘，它們則以同樣速度下降。在沒有空氣阻礙東西下落的月球上，航天員大衛，斯各特進行了羽毛和鉛錘實驗，並且發現兩者確實同時落到月面上。
牛頓把伽利略的測量當做他的運動定律的基礎。在伽利略的實驗中，當物體從斜坡上滾下時，它一直受到不變外力（它的重量）的作用，其效應是使它恆定地加速。這表明，力的真正效應總是改變物體的速度，而不是像原先想像的那樣，僅僅使之運動。同時，它還意味著，只要物體沒有受到外力，它就會以同樣的速度保持直線運動。這一思想首次在牛頓於1687年出版的《數學原理》（即《自然哲學的數學原理》，下同——編者注）一書中明白地陳述出來，並被稱為牛頓第一定律。牛頓第二定律給出物體在受力時發生的現象：物體在被加速或改變其速度時，其改變率與所受的外力成比例。（例如，如果力加倍，則加速度也將加倍。）物體的質量（或物質的量）越大，則加速度越小（以同樣的力作用於具有兩倍質量的物體時只產生一半的加速度）。小汽車可提供一個熟知的例子，發動機的功率越大，則加速度越大，但是小汽車越重，則對於同樣的發動機，則加速度越小。除了他的運動定律，牛頓還發現了描述引力的定律：任何兩個物體都相互吸引，其引力大小與每個物體的質量成比例。於是，如果其中一個物體（例如A）的質量加倍，則兩個物體之間的引力加倍。這是你能預料得到的，因為新的物體A可看成兩個具有原先質量的物體，每一個用原先的力來吸引物體B，所以A和B之間的總力加倍。而如果，比如說，其中一個物體質量大到原先的2倍，另一物體大到3倍，則引力就大到6倍。現在人們可以看到，為何落體總以同樣的速率下降：具有兩倍重量的物體受到將其向下拉的兩倍的引力，但它的質量也大到兩倍。按照牛頓第二定律，這兩個效應剛好相互抵消，所以在所有情形下加速度都是相同的。
牛頓引力定律還告訴我們，物體之間的距離越遠，則引力越小。牛頓引力定律講，一個恆星的引力只是一個類似恆星在距離小一半時的引力的1/4。這個定律極其精確地預言了地球、月亮和其他行星的軌道。如果這定律中恆星的萬有引力隨距離減小或者增大得快一些，則行星軌道不再是橢圓的了，它們就會以螺旋線的形狀要麼盤旋到太陽上去，要麼從太陽逃逸。
亞里士多德和伽利略-牛頓觀念的巨大差別在於，亞里士多德相信一個優越的靜止狀態，任何沒有受到外力和衝擊的物體都取這種狀態。特別是他以為地球是靜止的。但是從牛頓定律可以推斷，並不存在惟一的靜止標準。人們可以講，物體A靜止而物體B以不變的速度相對於物體A運動，或物體B靜止而物體A運動，這兩種講法是等價的。例如，我們暫時不理睬地球的自轉和它圍繞太陽的公轉，則可以講地球是靜止的，一輛有軌電車以每小時30英里的速度向東運動，或有軌電車是靜止的，而地球以每小時30英里的速度向西運動。如果一個人在有軌電車上做運動物體的實驗，所有牛頓定律仍然都成立。例如，在有軌電車上打乒乓球，人們將會發現，正如在鐵軌旁一張台桌上的球一樣，乒乓球服從牛頓定律，所以無法得知究竟是火車還是地球在運動。
缺乏靜止的絕對標準意味著，人們不能確定，在不同時間發生的兩個事件是否發生在空間的相同位置上。例如，假定在有軌電車上我們的乒乓球直上直下地彈跳，在1秒鐘前後兩次撞到桌面上的同一處。在鐵軌上的人來看，這兩次彈跳似乎發生在大約相距13米的不同的位置上，因為在這兩回彈跳的時間間隔裡，有軌電車已在鐵軌上走了這麼遠。
這樣，不存在絕對靜止意味著不能像亞里士多德相信的那樣，給事件指定一個絕對的空間位置。事件的位置以及它們之間的距離對於在有軌電車上和鐵軌上的人來講是不同的，所以沒有理由以為一個人的立場比別人的更優越。
牛頓對不存在絕對位置或所謂絕對空間非常憂慮，因為這和他的絕對上帝的觀念不一致。事實上，即使他的定律隱含著絕對空間的不存在，他也拒絕接受。因為這個非理性的信仰，他受到許多人的嚴厲批評，其中最有名的是貝克萊主教。他是一個相信所有的物質實體、空間和時間都是虛妄的哲學家。當人們將貝克萊的見解告訴著名的約翰遜博士時，他用腳趾踢到一塊大石頭上，並大叫道：「我要這樣駁斥它！」
亞里士多德和牛頓都相信絕對時間。也就是說，他們相信人們可以毫不含糊地測量兩個事件之間的時間間隔，只要用好的鐘，不管誰去測量，這個時間都是一樣的。時間相對於空間是完全分離並且獨立的。這就是大部分人當作常識的觀點。然而，我們必須改變這種關於空間和時間的觀念。雖然這種顯而易見的常識可以很好地對付運動甚慢的諸如蘋果、行星的問題，但在處理以光速或接近光速運動的物體時卻根本無效。
1676年，丹麥的天文學家歐爾·克裡斯琴森·羅默第一次發現了，光以有限但非常高的速度旅行的事實。他觀察到，木星的衛星不是以等時間間隔從木星背後出來，不像如果衛星以不變速度圍繞木星運動時，人們會預料的那樣。當地球和木星都圍繞著太陽公轉時，它們之間的距離在變化著。羅默注意到，我們離木星越遠則木星的月食出現得越晚。他論證道，因為當我們離開更遠時，光從木星衛星那裡要花更長的時間才能達到我們這裡。然而，他測得的木星到地球的距離變化不是非常準確，與現在的每秒186000英里的值相比較，那麼他所測的光速的數值為每秒140000英里。儘管如此，羅默不僅證明了光以有限速度行進，並且測量了那個速度，他的成就是卓越的——要知道，這一切都是在牛頓發表《數學原理》之前1 1年做出的。
直到1865年，當英國的物理學家詹姆斯·麥克斯韋成功地將直到當時用以描述電力和磁力的部分理論統一起來以後，才有了光傳播的正確的理論。麥克斯韋方程預言，在合併的電磁場中可以存在波動的微擾，它們以固定的速度，正如池塘水面上的漣漪那樣行進。如果這些波的波長（兩個相鄰波峰之間的距離）為1米或更長一些，它們就是我們所謂的射電波。更短波長的波稱做微波（幾厘米）或紅外線（長於萬分之一厘米）。可見光的波長在一百萬分之四十至一百萬分之八十厘米之間。更短的波長被稱為紫外線、X射線和伽馬射線。
麥克斯韋理論預言，射電波或光波應以某一固定的速度行進。但是牛頓理論已經擺脫了絕對靜止的觀念，所以如果假定光以固定的速度行進，人們就必須說清這固定的速度是相對於何物來測量的。因此有人提出，存在著一種無所不在的稱為「以太」的物質，甚至在「真空的」空間中也是如此。正如聲波在空氣中行進一樣，光波應該通過以太行進，所以它們的速度應是相對於以太而言的。相對於以太運動的不同觀察者，會看到光以不同的速度衝他們而來，但是光對以太的速度保持不變。特別是當地球在它圍繞太陽的軌道穿過以太時，在地球通過以太運動的方向測量的光速（當我們對光源運動時）應該大於在與運動垂直方向測量的光速（當我們不對光源運動時）。1887年，阿爾伯特·邁克耳孫（他後來成為美國第一位諾貝爾物理學獎獲得者）和愛德華·莫雷在克裡夫蘭的凱思應用科學學校進行了一個非常仔細的實驗。他們將沿地球運動方向以及垂直於此方向的光速進行比較。使他們大為驚奇的是，他們發現這兩個光速完全一樣！
在1887年至1905年之間，最著名者為荷蘭物理學家亨得利克·洛倫茲做出的。然而，一位迄至當時還默默無名的瑞士專利局的職員阿爾伯特·愛因斯坦，在1905年的一篇著名的論文中指出，只要人們願意拋棄絕對時間觀念的話，整個以太的觀念則是多餘的。幾個星期之後，法國第一流的數學家亨利·龐加萊也提出類似的觀點。愛因斯坦的論證比龐加萊的論證更接近物理，後者將其考慮為數學問題。通常這個新理論歸功於愛因斯坦，但人們不會忘記龐加萊的名字在其中起了重要的作用。
這個被稱為相對論的基本假設是，不管觀察者以任何速度作自由運動，相對於他們而言，科學定律都應該是一樣的。這對於牛頓的運動定律當然是對的，但是現在這個觀念被擴展到包括麥克斯韋理論和光速：不管觀察者運動多快，他們應測量到一樣的光速。這簡單的觀念有一些非凡的結論。可能最著名者莫過於質量和能量的等價，這可用愛因斯坦著名的方程E=mc2來表達（E是能量，m是質量，c是光速），以及沒有任何東西可能行進得比光還快的定律。由於能量和質量的等價，物體由於它的運動具有的能量應該加到它的質量上去。換言之，要加速它將更為困難。這個效應只有當物體以接近於光速的速度運動時才有實際的意義。例如，以10%光速運動的物體的質量只比原先增加了0.5%，而以90%光速運動的物體，其質量變得比正常質量的2倍還多。當一個物體接近光速時，它的質量上升得越來越快，這樣它需要越來越多的能量才能進一步加速上去。實際上它永遠不可能達到光速，因為那時質量會變成無限大，而根據質量能量等價原理，這就需要無限大的能量才能做到。由於這個原因，相對論限制了物體運動的速度：任何正常的物體永遠以低於光速的速度運動，只有光或其他沒有內稟質量的波才能以光速運動。
相對論的一個同等非凡的推論是，它變革了我們空間和時間的觀念。在牛頓理論中，如果有一光脈衝從一處發到另一處，（由於時間是絕對的）不同的觀測者對這個行程所花的時間不會有異議，但是（因為空間不是絕對的）他們在光行進的距離上不會總取得一致的意見。由於光速正是它行進過的距離除以花費的時間，不同的觀察者就測量到不同的光速。另一方面，在相對論中，所有的觀察者必須在光以多快速度行進上取得一致意見。然而，在光行進過多遠的距離上，他們仍然不能取得一致意見。因此，現在他們對光要花費多少時間上應該也不會取得一致意見。（花費的時間正是用光速——對這一點所有的觀察者都意見一致——去除光行進過的距離——對這一點他們意見不一致。）換言之，相對論終結了絕對時間的觀念！看來每個觀察者都一定有他自己的時間測度，這是用他自己所攜帶的鍾記錄的，而不同觀察者攜帶的同樣的鐘的讀數不必要一致。
每個觀察者都可以利用雷達發出光或射電波脈衝來說明一個事件在何處何時發生。一部分脈衝在事件反射回來後，觀察者可在他接收到回波時測量時間。事件的時間可認為是脈衝被發出和反射被接收的兩個時刻的中點：而事件的距離可取這來回行程時間的一半乘以光速（在這個意義上，一個事件是發生在空間的單獨一點以及指定時間的一點的某件事）。這個思想被顯示在（圖2.1）上。這是時空圖的一個例子。利用這個步驟，作相互運動的觀察者對同一事件可賦予不同的時間和位置。沒有一個特別的觀察者的測量比任何其他人的更正確，但是所有這些測量都是相關的。只要一個觀察者知道其他人的相對速度，他就能準確算出其他人會賦予同一事件的時間和位置。
圖2.1 時間用垂直坐標測量，離開觀察者的距離用水平坐標測量。觀察者在空間和時間裡的路徑用左邊的垂線表示。到事件去和從事件來的光線的路徑用對角線表示
現在我們正是用這種方法來準確地測量距離，因為我們可以把時間比長度測量得更為準確。實際上，米是被定義為光在以銫原子鐘測量的0.000000003335640952秒內行進的距離（取這個特別數字的原因是，因為它對應於歷史上的米的定義——按照保存在巴黎的特定鉑棒上的兩個刻度之間的距離）。同樣地，我們可以用叫做光秒的更方便的新長度單位，這就是簡單地定義為光在1秒中行進的距離。現在，我們在相對論中按照時間和光速來定義距離，從而自然而然地，每個觀察者都測量出光具有同樣的速度（按照定義為每0.000000003335640952秒之一米）。沒有必要引入以太的觀念，正如邁克耳孫-莫雷實驗顯示的那樣，以太的存在是無論如何檢測不到的。然而，相對論迫使我們從根本上改變了我們的時間和空間觀念。我們必須接受，時間不能完全脫離開和獨立於空間，而必須和空間結合在一起形成所謂的時空的客體。
我們通常的經驗是可以用3個數或坐標去描述空間中的一點的位置。譬如，人們可以說屋子裡的一點離開一堵牆7英尺（1英尺=0.3048米），離開另一堵牆3英尺，並且比地面高5英尺。或者人們也可以用一定的緯度、經度和海拔來指定該點。人們可以自由地選用任何3個合適的坐標，雖然它們只在有限的範圍內有效。人們不是按照在倫敦皮卡迪裡廣場以北和以西多少英里以及高於海平面多少英尺來指明月亮的位置，取而代之，人們可用離開太陽、離開行星軌道面的距離以及月亮與太陽的連線和太陽與臨近的一個恆星——例如半人馬座α——連線之夾角來描述它的位置。甚至這些坐標對於描寫太陽在我們星系中的位置，或我們星系在本星系群中的位置也沒有太多用處。事實上，人們可按照一組相互交疊的坐標碎片來描寫整個宇宙。在每一碎片中，人們可用不同的三個坐標的集合來指明點的位置。
一個事件是在特定時刻和在空間中特定的一點發生的某件事。這樣，人們可以用4個數或坐標來指定它。再說一遍，坐標系的選擇是任意的；人們可以使用任何3個定義好的空間坐標和任何時間測度。在相對論中，在時間和空間坐標之間沒有真正的差別，猶如在任何兩個空間坐標之間沒有真正的差別一樣。人們可以選擇一組新的坐標，比如說，第一個空間坐標是1日的第一和第二空間坐標的組合。例如，測量地球上一點的位置不用在倫敦皮卡迪裡廣場以北和以西的裡數，而是用在它的東北和西北的裡數。類似地，人們在相對論中可以用新的時間坐標，它是舊的時間（以秒作單位）加上往北離開皮卡迪裡的距離（以光秒為單位）。
將一個事件的四坐標當作指定其在所謂的時空的四維空間中位置的手段經常是有助的。四維空間是不可想像的。對我個人來說，摹想三維空間已經足夠困難！然而很容易畫出二維空間圖，例如地球的表面（地球的表面是兩維的，因為可以用兩個坐標，例如緯度和經度，來指明一點的位置。）我將通常使用二維圖，向上增加的方向是時間，水平方向是其中一個空間坐標。不管另外兩個空間坐標，或者有時用透視法將其中一個表示出來（這些被稱為時空圖，如圖2.1所示）。例如，在圖2.2中時間是向上的，並以年作為測量單位，而沿著從太陽到半人馬座α連線的距離在水平方向上以英里為單位來測量。圖中的左邊和右邊的垂線表示太陽和半人馬座α通過時空的路徑。從太陽發出的光線沿著對角線走，並且要花費4年的時間才能從太陽到達半人馬座α。
圖2.2 離開太陽的距離[以1012英里（1英里=1.609千米）為單位]
正如我們已經看到的，麥克斯韋方程預言，不管光源的速度如何，光速應該是一樣的，這已被精密的測量證實。由此推出，如果有一個光脈衝從一特定的空間點在一特定時刻發出，在時間的進程中，它就會作為一個光球面發散開來，而光球面的形狀和大小與源的速度無關。在一百萬分之一秒後，光就散開成一個半徑為300米的球面；一百萬分之二秒後，半徑變成600米，等等。這正如同將一塊石頭扔到池塘裡，水表面的漣漪向四周散開一樣，漣漪作為一個圓周散開並隨時間越變越大。如果人們把不同時刻漣漪的快照逐個堆疊起來，擴大的水波圓周就會畫出一個圓錐，其頂點正是石塊擊到水面的地方和時刻。（圖2.3）。類似地，從一個事件散開的光在（四維的）時空裡形成了一個（三維的）圓錐，這個圓錐稱為事件的將來光錐。以同樣的方法可以畫出另一個稱為過去光錐的圓錐，它表示所有可以用一個光脈衝傳播到該事件的事件集合（圖2.4）。
圖2.3
圖2.4
對於給定的事件P，人們可以將宇宙中的其他事件分成三類。從事件P出發由一個粒子或者波以等於或小於光速的速度行進能到達的那些事件稱為屬於P的將來。它們處於從事件P發射的膨脹的光球面之內或之上。這樣，在時空圖中它們就處於P的將來光錐的裡面或上面。因為沒有任何東西比光行進得更快，所以在P所發生的東西只能影響在P的將來中的事件。
圖2.5
類似地，P的過去可被定義為下述的所有事件的集合，從這些事件可能以等於或小於光速的速度行進到達事件P。這樣，它就是能夠影響發生在P的事件的所有事件的集合。不處於P的將來或過去的事件被稱之為處於P的他處（圖2.5）。在這種事件處所發生的東西既不能影響發生在P的事件，也不受發生在P的事件的影響。例如，假定太陽就在此刻停止發光，它不會對此刻的地球上的事情發生影響，因為它們是在太陽熄滅這一事件的他處（圖2.6）。我們只能在8分鐘之後才知道這一事件，這是光從太陽到達我們所花費的時間。只有到那時候，地球上的事件才在太陽熄滅這一事件的將來光錐之內。類似地，我們也不知道這一時刻發生在宇宙中更遠處的事：我們看到的從很遠星系來的光是在幾百萬年之前發出的，至於我們看到的最遠物體，光是在大約80億年前發出的。這樣，當我們看宇宙時，我們是在看它的過去。
圖2.6
如果人們忽略引力效應，正如愛因斯坦和龐加萊在1905年那樣做的，人們就得到了稱為狹義相對論的理論。對於時空中的每一事件我們都可以做一個光錐（所有從該事件發出的光的可能路徑的集合），由於在每一事件處在任一方向上的光的速度都是一樣的，所以所有光錐都是全等的，並朝著同一方向。這理論又告訴我們，沒有任何東西行進得比光更快。這意味著，通過空間和時間的任何物體的軌跡必須由一根線來表示，而這根線落在它上面的每一事件的光錐之內（圖2.7）。狹義相對論非常成功地解釋了如下事實：對所有觀察者而言，光速都是一樣的（正如邁克耳孫——莫雷實驗所展示的那樣），並成功地描述了當物體以接近於光速運動時會發生什麼。然而，它和牛頓引力理論不相協調。牛頓理論說，物體之間相互吸引，其吸引力依賴於它們之間的距離。這意味著，如果我們移動其中一個物體，另一物體所受的力就會立即改變。或換言之，引力效應必須以無限速度行進，而不像狹義相對論要求的那樣，只能以等於或低於光速的速度行進。愛因斯坦在1908年至1914年之間進行了多次不成功的嘗試，企圖找到一個和狹義相對論協調的引力理論。1915年，他終於提出了今天我們稱為廣義相對論的理論。
圖2.7
圖2.8
愛因斯坦提出了革命性的思想，即引力不像其他種類的力，它只不過是時空不是平坦的這一事實的結果，而早先人們假定時空是平坦的。在時空中的質量和能量的分佈使它彎曲或「翹曲」。像地球這樣的物體並非由於稱為引力的力使之沿著彎曲軌道運動，相反，它沿著彎曲空間中最接近於直線路徑的東西運動，這個東西稱為測地線。一根測地線是鄰近兩點之間最短（或最長）的路徑。例如，地球的表面是個彎曲的二維空間。地球上的測地線稱為大圓，是兩點之間最近的路（圖2.8）。由於測地線是兩個機場之間的最短程，這正是領航員叫飛行員飛行的航線。在廣義相對論中，物體總是沿著四維時空的直線走。儘管如此，在我們看來它在三維空間中是沿著彎曲的路徑。（這正如同看一架在非常多山的地面上空飛行的飛機。雖然它沿著三維空間的直線飛，它在二維的地面上的影子卻是沿著一條彎曲的路徑。）
太陽的質量以這樣的方式彎曲時空，使得在四維的時空中地球雖然沿著直線的路徑，它卻讓我們看起來是沿著三維空間中的一個圓周軌道運動。事實上，廣義相對論和牛頓引力理論預言的行星軌道幾乎完全一致。然而，對於水星，這顆離太陽最近，受到引力效應最強，軌道被拉得相當長的行星，廣義相對論預言其軌道橢圓的長軸應圍繞著太陽以大約每1萬年1度的速率進動。儘管這個效應如此微小，但在1915年前即被注意到了，並被作為愛因斯坦理論的第一個驗證。近年來，其他行星和牛頓理論預言的甚至更小的軌道偏差已被雷達測量到，並且發現和廣義相對論的預言相符。
光線也必須在時空中遵循測地線。時空是彎曲的事實再次意味著，光線在空間中看起來不是沿著直線行進。這樣，廣義相對論預言光線必須被引力場折彎。譬如，理論預言，由於太陽的質量的緣故，太陽近處的點的光錐會向內稍微彎折。這表明，從遙遠恆星發出的剛好通過太陽附近的光線會被偏折很小的角度，對於地球上的觀察者而言，這恆星似乎位於不同的位置（圖2.9）。當然，如果從恆星來的光線總是在靠太陽很近的地方穿過，則我們就無從分辨，是光線被偏折了，還是該恆星實際上就在我們看到的地方。然而，由於地球圍繞著太陽公轉，不同的恆星顯得從太陽後面通過，並且它們的光線受到偏折。所以，相對於其他恆星而言，它們改變了表觀的位置。
在正常情況下，要觀察到這個效應非常困難，這是由於太陽的光線使得人們不可能觀看天空上出現在太陽附近的恆星。然而，在日食時就可能觀察到，這時太陽的光線被月亮遮住了。由於第一次世界大戰正在進行，愛因斯坦光偏折的預言不可能在1915年立即得到驗證。直到1919年，一個英國的探險隊從西非觀測日食，證明光線確實像理論所預言的那樣被太陽偏折。這次英國人證明德國人的理論被歡呼為戰後兩國和好的偉大行動。具有諷刺意味的是，後來人們檢查這回探險所拍的照片，發現其誤差和企圖測量的效應同樣大。他們的測量純屬運氣，或是已知他們所要得的結果的情形，這在科學上時有發生。然而，後來的多次觀測準確地證實了光偏折。
圖2.9
廣義相對論的另一個預言是，在像地球這樣的大質量的物體附近，時間顯得流逝得更慢一些。這是因為光能量和它的頻率（光在每秒鐘裡波動的次數）有一種關係：能量越大，則頻率越高。當光從地球的引力場往上行進，它失去能量，因而其頻率下降（這表明兩個相鄰波峰之間的時間間隔變大）。在上面的某個人看來，下面發生的每一件事情都顯得需要更長的時間。1962年，人們利用一對安裝在水塔頂上和底下的非常準確的鐘，驗證了這個預言。發現底下的那只更接近地球的鍾走得較慢，這和廣義相對論正好相符。目前，隨著基於衛星信號的非常精確的導航系統的出現，地球上的不同高度的鐘的速度的差異，在實用上具有相當的重要性。如果人們無視廣義相對論的預言，計算的位置會錯幾英里。
牛頓運動定律使在空間中的絕對位置的觀念壽終正寢。而相對論擺脫了絕對時間。考慮一對雙生子。假定其中一個孩子去山頂上生活，而另一個留在海平面，第一個將比第二個老得快些。這樣，如果他們再次相會，一個會比另一個更老一些。在這個例子中，年紀的差別會非常小。但是，如果有一個孩子在以近於光速運動的航天飛船中作長途旅行，這種差別就會大得多。當他回來時，他會比留在地球上另一個年輕得多。這叫做雙生子佯謬，但是，只是對於頭腦中仍有絕對時間觀念的人而言，這才是佯謬。在相對論中並沒有惟一的絕對時間，相反，每個人都有他自己的時間測度，這依賴於他在何處並如何運動。
1915年之前，空間和時間被認為是事件在其中發生的固定舞台，而它們不受在其中發生的事件的影響。即便在狹義相對論中，這也是對的。物體運動，力吸引並排斥，但時間和空間則完全不受影響地延伸著。空間和時間很自然地被認為無限地向前延伸。
然而在廣義相對論中，情況則完全不同。這時，空間和時間變成為動力量：當物體運動，或者力作用時，它影響了空間和時間的曲率；反過來，時空的結構影響了物體運動和力作用的方式。空間和時間不僅去影響、而且被發生在宇宙中的每一件事影響。正如人們沒有空間和時間的概念不能談論宇宙的事件一樣，同樣地，在廣義相對論中，在宇宙界限之外講空間和時間也是沒有意義的。
在以後的幾十年中，對空間和時間的這種新理解是對我們宇宙觀的變革。舊的宇宙觀被新的宇宙觀取代了。前者認為宇宙基本上是不變的，它可能已經存在了無限長的時間，並將永遠繼續存在下去；後者則認為宇宙在運動、在膨脹，它似乎開始於過去的某一個時間，並也許會在將來的某一個時間終結。這個變革正是下一章的內容。幾年之後，它又是我研究理論物理的起點。羅傑·彭羅斯和我證明了，愛因斯坦廣義相對論意味著，宇宙必須有個開端，並且可能有個終結。