相对论宇宙学

广义相对论告诉我们，空间和时间并不共同构成一个固定的、空洞的物质和能量活动的舞台，相反，时空本身在对物质的反应中会变得弯曲。

空间为什么会有这样的表现？

爱因斯坦回答了这个问题。他向我们证明了用两种不同的方式——或者是加速，或者是引力吸引——都可以产生质量。让我们回顾一下爱因斯坦的思想实验：在两部分开的电梯里各有一个人，他们无法看到外面。一部电梯里的乘客并不知道自己是在外层空间。起初，他自由飘浮着，但一旦电梯开始加速上升，他的脚就会踏在电梯的地板上，让他感觉到重量（质量）。另一个人则待在静止在地球上的电梯里，具有相同的质量感觉，这是由于地球引力的缘故。这个想象的实验导致爱因斯坦提出了等效原理，他称之为“我一生中最快乐的想法”。等效原理是说，非引力环境下的加速运动等效于静止在一个引力场中。两种完全不同的运动状态给出同样的质量感觉。让我们探索由此带来的后果。

爱因斯坦意识到，在运动的相对性背后有一个新的实在，它向我们展示了引力性质的神秘性：质量和引力都是空间弯曲的表现。正如他的狭义相对论显示了在所有参考系里光速不变一样，广义相对论说明了所有的运动状态（包括静止状态）都是相对的，只有时空本身在存在物质或能量的情形下可以弯曲这一点是绝对的。

两部电梯里的乘客的经验可以用等效原理来解释。与运动电梯有关的能量使空间弯曲，从而使电梯加速。同样，地球的质量使空间弯曲，从而产生吸引性的引力。广义相对论的最终结果是，重力作用不需要背景空间，而是由它定义了背景空间。与此相对照，我们来考虑磁力，这种力是通过两个磁铁产生的磁场施加的，需要空间来扩展。同样，引力场具有引力，但性质上不同于其他的场，它不需要背景时空，它本身就是背景时空。

广义相对论适用于描述整个宇宙的空间和时间的行为，正像光速对于任何地方的观察者都相同一样。物理学家们试图用广义相对论来了解存在物质和能量情形下的时空结构和行为。已有的时空结构会影响到物质和光的运动。在某些情况下，譬如黑洞，空间可以弯曲到使得光无法逃脱。广义相对论在解释和预言引力的新特性方面取得了前所未有的成功。但仍有一个暗问题有待设法解决。