四、广义相对论
1915年，世界上还只有很少一些科学家刚刚懂得爱因斯坦于1905年发表的狭义相对论，爱因斯坦本人却已经通过10年的默默努力又到达一个新的高峰，他发表了题为《引力的场方程》的论文，宣告“广义相对论作为一种逻辑结构终于完成了”。
在前一节中我们已经知道爱因斯坦讨论了进行近光速均匀运动的物理系统中所发生的情况，由此推导出狭义相对论理论。但是，在现实世界中，物体进行均匀速度的运动还只是一种理想的情况，更多的是物体或物理体系进行加速度运动。我们知道，当物体或系统进行变速度运动或者加速度运动时，它就不再是一个惯性系统，在这样的非惯性系统的情形下，物质、时间与空间和运动的关系会发生怎样的变化，狭义相对论的假设和结论还适用吗？这就是广义相对论要考虑的问题。
直接推动爱因斯坦发现广义相对论的原因有两个。一是匈牙利科学家罗兰德·厄缶（1848一1919）在1881年所作的关于惯性质量与万有引力质量精确相等的实验。这个实验告诉我们，由于惯性质量与引力质量相等，我们不能区分一个物体是受到引力作用还是存在于一个有加速度的参考系中。例如当电梯加速上升或是下降时，我们在电梯中会感到自身的体重变大或减少。这说明，引力和时空及运动有密切关系。二是爱因斯坦猜测自然运动规律不仅对惯性坐标系，而且对一切坐标系都应当相同。
在上述考虑下，爱因斯坦提出两条原理作为前提假说，建立广义相对论的逻辑体系：一条原理叫广义相对性原理，又称为广义协变原理，主张自然定律在一切坐标系中应具有不变的形式；另一条原理叫等效原理，即匀加速参照系同均匀引力场在物理上等价。把这两条原理结合起来，通过逻辑推理，爱因斯坦发现物体的存在和运动会改变所在时空的曲率，形成弯曲的时空。物体在弯曲的时空中运动会引起运动速度和方向的变化，相当于受到一种作用力的作用，这就是通常意义下的万有引力。
广义相对论是一个比狭义相对论更为抽象而难于进行实验检验的物理学理论，以至被有些人称为“理论家的天堂，实验家的地狱”。通常发生广义相对论效应的场合，一般是大引力质量、大尺度空间，在地球环境中很难进行检测。爱因斯坦经过艰苦努力和精密计算，用广义相对论理论提出了三个重要的预言，可以在天文观测中进行验证：即水星近日点每百年向前移动43角秒、恒星光线掠过太阳边缘时会发生1.75角秒的偏折和光谱在引力场下会发生红移——巨大的万有引力作用会使光的波长变长。
这三项预言不久都得到了实验证实。其中，水星近日点进动问题早在1859年已经被发现，经典物理学始终无法解释，而广义相对论的解释完美无缺；1919年，A.S.爱丁顿（1882—1944）抓住罕见的日全食机会，率领英国日食观测队在南非证实，当光线经过太阳附近时会产生弯曲。当时，观测队拍摄到了日全食全黑暗情况下一颗原本正好被太阳完全阻挡住的恒星的影像。这直接而又有说服力地证明了光线在太阳引力作用下会发生弯曲，英国皇家学会会长J.J.汤姆逊（1856一1940）知道这一结果时宣称：“广义相对论是人类思想史上最伟大的成就之一”。
1979年，天文学家发现了远处星体所发出的光可以通过引力透镜聚焦成像，又一次有力地证明了广义相对论的正确性；恒星光谱的引力红移现象在1925年被美国天文学家在天文观测中观察到。50年代，随着电子技术的发展和微弱信号探测能力的提高，人们证实地球引力会导致地面光源辐射的频率红移，今天在许多医院中广泛使用的医用穆斯堡尔谱仪就是利用这一现象进行医学诊断。
然而，1917年爱因斯坦根据他的引力场方程做出预言，所有有质量的物体在运动中都会发出引力波，宇宙中质量很大的星体发出的引力波应当可以被探测到。然而，验证引力波存在的实验非常困难，至今还未得出明确的结论，这已成为物理学实验研究的一大难题。
广义相对论实质上是一种引力理论，它洞察到空间、时间和物质三者相互密切地纠缠在一起。爱因斯坦受到19世纪的几位数学家启发，把引力问题转化为几何问题，或者说用空间结构的几何性质来表述引力场，试图把几何学与物理学统一起来。开始时爱因斯坦屡遭挫折，后来发现是我们非常熟知的欧几里得几何学不能用来表达引力问题，这意味着真实的空间可能并不是我们想象的欧式空间。大数学家G.F.B.黎曼早就指出，现实的物理空间究竟是欧几里得空间还是别的空间，这并不能靠人们武断地规定，或者根据人们的日常生活经验决定，而是要靠天文观测。
爱因斯坦在数学家指点下用三年时间潜心钻研黎曼几何和一种重要的数学分析工具：张量分析（又称绝对微分学），才终于掌握了建立广义相对论理论所必要的数学方法。
曾有物理学家评论道，爱因斯坦独自一人匹马单枪永久性地改变了我们的时间、空间和物质概念。用广义相对论的眼光来看，宇宙空间并不是我们熟知的三维直角的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间，空间弯曲的程度（曲率）取决于物质的质量及其分布情况（如密度），而空间曲率就体现为引力场的强度。这个问题也可以反过来看，就是在弯曲的空间中布满着坑坑洼洼的地方，这些地方就是物质。由此，爱因斯坦就把物理学问题转换为几何学问题了。广义相对论指出，四维时空与物质之间存在着统一性，空间和时间不可能离开物质而独立存在，时空结构和性质取决于物质的分布，这就比狭义相对论更加深刻彻底地否定了牛顿的绝对时空观。爱因斯坦对比牛顿时空观和广义相对论时空观，曾经做出精辟的论述：牛顿绝对空间的绝对性，表现在“空间不仅作为一个同物质客体无关的独立的东西而引进来，而且还指定它在整个理论的因果结构中担任一个绝对的角色。这个角色从这样的意义上来说是绝对的空间（作为一个惯性系）作用于一切物质客体，可是这些物质客体却不反过来给空间以任何反作用。”而在广义相对论看来，“空间一时间未必能被看作是一种可以离开物理实在的实际客体而独立存在的东西。物理客体不是在空间之中，而是这些客体有着空间的广延。因此，‘空虚空间’这概念就失去了它的意义”。
广义相对论将时空和万有引力、物质和运动统一在一起，具有重要的哲学意义。它说明，物质、时空、相互作用和运动相互依存、相互影响、相互确定，是不可分割的整体。任何事物都处于永不停止的相互作用和运动变化之中，事物在运动过程中形成自身的结构和赖以存在的时空，反过来，时空的结构又对物体产生引力作用，影响事物的运动和结构。广义相对论的根本意义在于它提供了一种新的物理时空观，牛顿经典力学和狭义相对论的时空结构是一种无场的时空结构，在讨论物体运动时并没有考虑到引力场的存在，时问和空间还是一种存在于物质以外的东西。
即使是狭义相对论，也没有完全摆脱时间和空间的绝对性。而广义相对论则描述包含引力场在内的时空结构。它的成功引导了将所有力场和时空结构统一起来的研究方向。相对论的革命性的作用还不只是提供了一种具体有效地描述许多物理现象的时空构架，更重要的是以其怀疑的和批判的精神为物理学的发展开辟道路，引发了一场深刻的物理学革命。
第二节量子力学
20世纪初的物理学革命是从两个方向展开的，一个就是我们在第一节中看到的相对论革命，它研究发生在高速运动物体、极大质量物体和大尺度空间与时间间隔中所发生的物理现象，改变了我们的时空观。另一个方向的革命发生在微观领域里，发生在原子和基本粒子的世界里，这就是量子论、量子力学的革命。
量子力学揭开了肉眼看不见的微观世界的秘密，深刻地改变了人们对整个物质世界的认识，也带来一系列的重大技术变革，使得人类的社会生活和存在方式发生极大改观。
