當涉及到理解宇宙，有幾個理論是耳熟能詳的：薛定諤的貓、孿生悖論和相對論。但是，儘管廣義相對論——愛因斯坦最偉大的成就——已經有100多年的歷史了，但它對每個人——從普通大眾到物理學的本科生和研究生——來說仍然是一個很大的謎團。

量子，無論是波、粒子還是介乎兩者之間的任何東西，都具有定義它們的性質。但它們需要一個舞臺，在這個舞臺上，它們可以相互作用，上演宇宙的故事。

在基本層面上，宇宙是由量子構成的——具有質量、電荷、動量等物理屬性的實體——它們可以相互作用。量子可以是粒子，波，或者任何介於兩者之間的狀態，這取決於你怎麼看它。兩個或兩個以上的量子可以結合在一起，形成複雜的結構，比如質子、原子、分子。量子物理學相對較新，在20世紀才被發現，但宇宙是由相互作用的不可分割的實體組成的觀點可以追溯到2000多年前，至少可以追溯到阿夫季拉的德謨克利特。

但是不管宇宙是由什麼組成的，組成它的物質需要一個舞臺才能前進，如果它們要相互作用的話。

牛頓的萬有引力定律已經被愛因斯坦的廣義相對論所取代。

在牛頓的宇宙中，是平坦、空曠、絕對的空間。空間本身是一個固定的實體，有點像一個笛卡爾座標網格：一個有x軸、y軸和z軸的三維結構。時間總是以同樣的速度流逝，而且是絕對的。對於任何地方的觀察者、粒子、波或量子，它們所經歷的時空應該是完全相同的。但是到了19世紀末，很明顯，牛頓的概念是有缺陷的。接近光速的粒子與運動緩慢或靜止的粒子相比，經歷時間（膨脹）和空間（收縮）的方式是不同的。粒子的能量或動量突然變得與空間有關，這意味著空間和時間不再是絕對量。你體驗宇宙的方式取決於你在宇宙中的運動。

對於以不同相對速度運動的觀察者來說，“光鍾”似乎會以不同的方式執行，但這是由於光速的恆定造成的。愛因斯坦的狹義相對論支配著這些時間和距離的變換是如何發生的。

這就是愛因斯坦狹義相對論概念的來源：有些東西是不變的，比如粒子的靜止質量或光速，但其他的則取決於你在時空中移動的方式。1907年，愛因斯坦的前任教授赫爾曼·閔可夫斯基取得了一個輝煌的突破：他證明了你可以用一個公式來構想空間和時間。他一下子就發展出了時空的形式主義。這為粒子在宇宙中移動（相對於其他粒子）並相互作用提供了一個平臺，但它不包括引力。他所發展的時空——今天仍然被稱為閔可夫斯基空間——描述了狹義相對論的全部內容，也為我們所做的絕大多數量子場論計算提供了背景。

量子場論的計算通常是在平坦空間中進行的，但廣義相對論的計算範圍更廣，甚至包括了彎曲空間。

如果沒有萬有引力這樣的東西，閔可夫斯基時空就會滿足我們的一切需求。時空將是簡單的、不彎曲的，它將只是為物質的透過和相互作用提供一個舞臺。加速的唯一方法是透過與另一個粒子的相互作用。但是在我們的宇宙中，我們確實有萬有引力，愛因斯坦的等效原理告訴我們萬有引力對你的作用就和其他任何加速度一樣。

一個球在加速火箭中（左）和在地球上（右）落到地板上的相同行為是愛因斯坦等價原理的一個證明。

正是這一發現，導致了廣義相對論的誕生。狹義相對論的閔可夫斯基空間和廣義相對論中出現的彎曲空間之間的主要區別是被稱為度量張量的數學形式，有時也被稱為愛因斯坦度量張量或黎曼度量。黎曼是19世紀的一位純數學家（他以前是高斯的學生，也許是他們當中最偉大的數學家），他提出了一種形式主義，關於如何在任意維數的任意彎曲空間中存在和定義任意的場、線、弧、距離等。愛因斯坦（和許多合作者）花了將近十年的時間來解決這個複雜的數學問題，但無論如何，我們有了廣義相對論：一個描述我們的三維空間和一維時間的宇宙的理論。

由引力質量引起的時空彎曲，如圖示為廣義相對論。圖片來源：LIGO/T。派。

從概念上講，度量張量定義了時空本身是如何彎曲的。它的曲率取決於它內部的物質、能量和應力。同樣的道理，宇宙是如何彎曲的也就決定了物質和能量是如何穿過它的。我們傾向於認為運動中的物體會繼續運動：牛頓第一定律。我們把它定義為一條直線，但彎曲空間告訴我們的是，一個運動中的物體會沿著測地線繼續運動，測地線是一條特殊的曲線，對應於非加速運動。諷刺的是，這是測地線，不一定是直線，這是兩點之間最短的距離。這甚至在宇宙尺度上也有體現，在那裡，由於非凡質量的存在，彎曲的時空可以彎曲來自它背後的背景光，有時會形成多個影象。

引力透鏡效應的一個例子，以及由於質量引起的星光彎曲。

物理上，在廣義相對論中有許多不同的部分構成了度量張量。我們認為引力是由質量引起的：不同質量的位置和大小決定了引力。在廣義相對論中，這與質量密度相對應，也有貢獻但它只是度量張量的16個分之一！還有一些壓力分量（如輻射壓力、真空壓力或快速移動的粒子產生的壓力）也有貢獻。最後，還有六個其他的組成部分告訴我們在質量和潮汐力的存在下，體積是如何變化和變形的，以及運動物體的形狀是如何被這些力扭曲的。這適用於一切事物，從像地球這樣的行星到中子星，再到在空間中移動的無質量波：引力輻射。

當質量在時空中相對運動時，它們會產生引力波。

您可能已經注意到1+3+6≠16，而是10，如果您注意到了，請注意！度量張量可能是一個4×4的實體，但它是對稱的，這意味著有四個“對角”分量（密度和壓力分量），和六個非對角分量（體積/變形分量）是獨立的。其他六個非對角分量由對稱性決定。度量告訴我們宇宙中所有物質/能量與時空曲率之間的關係。事實上，廣義相對論的獨特力量告訴我們，如果你知道宇宙中所有的物質/能量在哪裡，它在任何時刻都在做什麼，你就可以確定宇宙的整個進化史——過去、現在和未來——直到永恆。

宇宙的四種可能的命運。

宇宙膨脹的發現，大爆炸後宇宙的出現，以及黑暗能量的支配將導致一個冰冷、空虛的命運，這些只有在廣義相對論的背景下才能被理解，而這意味著理解這個關鍵的關係：物質/能量和時空之間的關係。宇宙是一齣戲，每當一個粒子與另一個粒子相互作用時，它就會展開，而時空就是這一切發生的舞臺。你要記住的一件違反直覺的事情是什麼？舞臺並不是固定背景，但它也會隨著宇宙本身的演變而演變。