物体の運動に関する私たちの現在の考えは、ガリレオとニュートンから来ています。それ以前は、物体の自然状態は静止しており、力や衝撃が作用した場合にのみ動くというアリストテレスの言葉を人々は信じていました。このように、重い物体は軽い物体よりも速く落下します。これは、地球に向かって引っ張る力が大きくなるためです。
アリストテレスの伝統はまた、宇宙を支配する法則は純粋な思考によって発見できると考えています。観察によってそれらをテストする必要はありません.そのため、ガリレオは、異なる重さの物体が実際に異なる速度で落下するかどうかを最初に確認したいと考えました。ガリレオはピサの斜塔からおもりを落として、アリストテレスが間違っていることを証明したと言われています。この話が真実であるということはほとんどありませんが、ガリレオは滑らかな斜面をさまざまな重さのボールを転がすことで、同等のことを行いました.この状況は重量物の垂直落下に似ていますが、速度が小さいため観察しやすくなっています。ガリレオの測定では、物体の重さに関係なく、その速度は同じ割合で増加することが示されました。たとえば、水平方向に沿って 10 メートルごとに 1 メートル落ちる斜面でボールをリリースすると、ボールの速度は 1 秒後には 1 メートル/秒、2 秒後には 2 メートル/秒、というようになります。どんなにボールが重くても。もちろん、鉛直重りは空気の抵抗によって羽毛よりも速く落下します。人が空気抵抗を受けない 2 つの物体 (2 つの異なる重錘など) を離すと、それらは同じ速度で落下します。
ガリレオの測定値は、運動の法則の基礎としてニュートンによって使用されました。ガリレオの実験では、物体が斜面を転がり落ちるとき、常に一定の外力 (重量) を受け、その結果、物体は常に加速していました。これは、力の実際の効果は、当初考えられていたように、物体を動かすだけでなく、常に物体の速度を変化させることであることを示しています。同時に、物体に外力が加わらない限り、同じ速度で直線的に移動し続けることも意味します。この考えは、1687 年に出版された彼の著書 Principia Mathematica でニュートンによって最初に明示的に述べられ、ニュートンの第一法則として知られるようになりました。物体に力が加わったときに発生する現象は、ニュートンの第 2 法則によって与えられます。物体が加速または速度を変化させると、その変化率は外部から受ける力に比例します。 (たとえば、力が 2 倍になると、加速度も 2 倍になります。) オブジェクトの質量 (または物質の量) が大きいほど、加速度は小さくなります (質量が 2 倍のオブジェクトに作用する同じ力は、加速の半分しか生成しません。) 自動車はよく知られた例を提供します。エンジンが強力であるほど加速は大きくなりますが、車が重くなるほど、同じエンジンの加速は小さくなります。
運動の法則に加えて、ニュートンは重力を説明する法則を発見しました。2 つの物体は、それぞれの物体の質量に比例する力で引き合います。したがって、物体の 1 つ (たとえば A) の質量が 2 倍になると、2 つの物体間の重力は 2 倍になります。新しいボディ A は元の質量を持つ 2 つのボディと考えることができ、それぞれが元の力でボディ B を引き付けているため、A と B の間の総力は 2 倍になります。一方の物体の質量が 2 倍で、他方の質量が 3 倍の場合、重力は 6 倍になります。これで、落下する物体が常に同じ速度で落下する理由がわかります。2 倍の重さの物体は、重力によって 2 倍引き下げられますが、質量も 2 倍になります。ニュートンの第 2 法則によれば、これら 2 つの効果は互いに完全に相殺されるため、加速度はすべての場合で同じになります。
ニュートンの万有引力の法則は、物体間の距離が大きくなるほど、重力が小さくなることも示しています。ニュートンの万有引力の法則によると、星の重力は、距離が半分の同じ星の重力の 4 分の 1 にすぎません。この法則は、地球、月、その他の惑星の軌道を極めて正確に予測します。星の重力がこれよりも速く距離とともに減少するという法則が変わると、惑星の軌道はもはや楕円ではなくなり、太陽に向かって螺旋を描くようになります.引力がもっとゆっくりと減少した場合、遠くの星の引力は地球の引力を超えるでしょう。
アリストテレスとガリレオ・ニュートンの考えの大きな違いは、アリストテレスは優れた休息状態を信じていたということです。特に、彼は地球が静止していると考えていました。しかし、ニュートンの法則から導き出されるように、静けさの単一の基準はありません。物体 A は静止しており、物体 B はそれに対して一定の速度で動いている、または物体 B は静止しており、A は動いていると言うことができますが、これら 2 つのステートメントは等価です。たとえば、地球の自転と太陽の周りの公転を一時的に脇に置くと、地球は静止しており、列車は時速 90 マイルで北に向かっている、または列車は静止しており、地球は南に向かっていると言えます。時速90マイルで。電車の中で動く物体を実験すると、すべてのニュートンの法則が成り立ちます。たとえば、電車の中で卓球をすると、レールの横のテーブルの上にあるのと同じように、卓球はニュートンの法則に従うので、電車なのか地球なのかわかりません。それが動いています。
休息の絶対的な基準がないということは、異なる時間に発生する 2 つのイベントが空間の同じ場所で発生するかどうかを判断できないことを示唆しています。たとえば、電車の中でピンポン球が真っ直ぐ上下に跳ね返り、テーブルの同じ場所に 1 秒間隔で 2 回当たったとします。線路上にいる人の視点から見ると、2 回の跳ね返りは約 100 メートル離れた異なる地点で発生しました。これは、2 回の跳ね返りの間に列車が線路をかなり遠くまで移動したためです。したがって、アリストテレスが信じていたように、絶対的な休息が存在しないということは、イベントに絶対的な空間的位置を割り当てることができないことを意味します。イベントの場所とイベント間の距離は、電車に乗っている人と線路にいる人では異なるため、ある人が他の人よりも優れていると考える理由はありません。
ニュートンは、絶対位置、または絶対空間と呼ばれるものが存在しないことを非常に懸念していました。これは、絶対的な神の考えと矛盾していたためです。実際、絶対空間が存在しないことが彼の法則に暗示されていたとしても、彼はそれを受け入れることを拒否しました.この不合理な信念のために、彼は多くの人、特にすべての物質的な存在、空間と時間は幻想であると信じていた哲学者であるバークレー司教から厳しく批判されました.人々がバークレーの意見を有名なジョンソン博士に語ったとき、彼はつま先で大きな石を蹴り、大声でこう言いました。
アリストテレスもニュートンも絶対時間を信じていました。つまり、2 つのイベント間の時間間隔を明確に測定できること、そして優れた時計があれば、誰が測定しても時間は同じであると信じていました。時間は空間から完全に切り離され、独立しています。これは、ほとんどの人が常識として理解していることです。しかし、この空間と時間の概念を変えなければなりません。この明白な常識は、リンゴや惑星のような動きの遅い物体にはうまく機能しますが、光速またはそれに近い速度で動く物体を扱う場合にはまったく機能しません。
光が有限ではあるが非常に高速で移動するという事実は、デンマークの天文学者オーレによって最初に提案されました。クリスチャンセン。ローマーは1676年に初めて発見されました。彼は、木星の衛星が一定の速度で木星を周回している場合に予想されるように、木星の衛星が木星の背後から等間隔で出現していないことを観察しました。地球と木星の両方が太陽を周回すると、それらの間の距離が変化します。ローマーは、木星から遠ざかるほど、木星の食が遅れて現れることに気付きました。彼の主張は、木星の月から遠ざかるにつれて、光が届くまでの時間が長くなるためです。しかし、彼が測定した木星から地球までの距離の変化はあまり正確ではなかったため、彼の光速の値は秒速 14 マイルでしたが、現在の値は秒速 186,000 マイルです。それにもかかわらず、ローマーは光が有限の速度で移動することを証明しただけでなく、光の速度を測定しました. 彼の業績は驚くべきものです. これはすべて、ニュートンが「プリンキピア数学」を出版する11年前に行われました.
1865年まで、イギリスの物理学者ジェームズ.マクスウェルが当時電気と磁気を説明するために使用されていた理論のいくつかを統合することに成功して初めて、彼は光伝搬の真の理論を手に入れました。マクスウェルの方程式は、池の表面のさざなみのように一定の速度で移動する、結合された電磁場に変動する摂動が存在する可能性があることを予測しています。この波の波長（2 つの山の間の距離）が 1 メートル以上のものを電波と呼びます。より短い波長の波は、マイクロ波 (数センチメートル) または赤外線 (1 万分の 1 センチメートルより長い) と呼ばれます。可視光の波長は、1 センチメートルの 4000 万分の 1 から 8000 万分の 1 の間です。より短い波長は、紫外線、X線、ガンマ線と呼ばれます。
マクスウェルの理論は、電波または光波が特定の固定速度で移動することを予測しました。しかし、ニュートンの理論は絶対静止の考えを取り除いたので、光が一定の速度で移動すると仮定すると、この一定の速度が何に対して測定されているかを明確にする必要があります。このように、真空中でもエーテルと呼ばれる遍在する物体が存在することが提案されました。音波が空中にあるのと同じように、光波はエーテルを通過する必要があるため、光の速度はエーテルに相対的でなければなりません。エーテルの動きに関連する異なる観察者は、光が異なる速度で彼らに向かって突進するのを見るはずですが、エーテルへの光の速度は一定です。特に、地球がエーテルを通過して太陽の周りを公転するとき、地球がエーテルを通過する方向 (光源に向かって移動するとき) で測定された光の速度は、その方向で測定された光の速度よりも大きくなるはずです。動きに対して垂直（光源に向かって動かないとき）。1887 年、アルバート。マイケルソン (後にアメリカ人物理学のノーベル賞受賞者となる) とエドワード.モーリーは、クリーブランドのキャス応用科学学校で非常に注意深い実験を行いました。彼らは、地球の運動方向とそれに垂直な方向の光速を比較したところ、驚いたことに、2 つの光速がまったく同じであることがわかりました。
1887 年から 1905 年にかけて、マイケルソン・モーリーの実験を説明する試みがいくつか行われました。最も有名なのはオランダの物理学者ヘンドリックです。Lolloz、彼は、エーテルに対して移動するオブジェクトの収縮と時計の減速のメカニズムに基づいています。しかし、これまで知られていなかったスイス特許庁の職員、アルバートアインシュタインは、1905 年の有名な論文で、絶対時間の概念を放棄する意思がある限り、エーテルの概念全体は不必要であると指摘しました。数週間後、フランスで最も重要な数学者の 1 人、アンリポアンカレも同様の指摘をした。アインシュタインの議論は、ポアンカレの議論よりも物理学に近い。ポアンカレはこれを数学的な問題と見なしているからである。通常、この新しい理論はアインシュタインに帰せられますが、ポアンカレの名前が重要な役割を果たしています。
相対性理論として知られるこの理論の基本的な仮定は、自由運動の速度に関係なく、科学の法則は観測者に対して同じでなければならないということです。これは確かにニュートンの運動の法則に当てはまりますが、現在、この考えはマクスウェルの理論と光速を含むように拡張されています。観測者がどんなに速く動いていても、同じ光速を測定する必要があります。この単純な概念には、いくつかの顕著な結果があります。おそらく最も有名なのは、アインシュタインの有名な方程式 E=mc2 (E はエネルギー、m は質量、c は光速) で表される質量とエネルギーの等価性であり、これ以上動くことはできないということです。超光速の法則。エネルギーと質量は等しいため、物体の運動によって物体が持つエネルギーは、その質量に追加する必要があります。つまり、加速しにくくなります。この効果は、オブジェクトが光速に近い速度で移動している場合にのみ実質的な意味を持ちます。例えば、光速の10%で動く物体の質量は○だけ増えます。光速の 90% で移動するオブジェクトは、通常の質量の 2 倍以上になります。物体が光速に近づくにつれて、その質量はますます速く上昇し、さらに加速するにはますます多くのエネルギーが必要になります。実際には、その時点で質量は無限大になるため、光の速度に到達することはできず、質量とエネルギーの等価性の原則により、これには無限のエネルギーが必要です。このため、相対性理論は、通常の物体が光速よりも遅い速度で移動することを制限しています。光の速度で移動できるのは、固有の質量を持たない光またはその他の波だけです。
相対性理論の同様に顕著な結果は、それが私たちの空間と時間の概念を変えたことです。ニュートンの理論では、光のパルスがある場所から別の場所に送られる場合 (時間は絶対的なものであるため)、異なる観察者は、このプロセスにかかる時間については同意しませんが、光が移動する時間については同意しません。この点でコンセンサスが得られます (スペースは絶対的なものではないため)。光の速度は距離を時間で割った値に等しいため、観測者によって光の速度が異なります。一方、相対性理論では、すべての観察者が光の移動速度に同意する必要があります。ただし、光がどれだけ遠くまで伝わるかについては意見が一致していません。そのため、光がどれくらいの時間かかるかについては意見が一致していません。 (とにかく、光にかかる時間は正確に光の速度であり、これはすべての観測者にとって一貫しており、光が移動する距離を差し引いたものであり、観測者にとって矛盾しています。) 要するに、相対性理論は、絶対時間！したがって、各観測者は自分が持っている時計によって測定された時間を持っており、異なる観測者が持っている同じ時計は必ずしも一致しません。
図 II。時間は垂直座標で測定され、観察者からの距離は水平座標で測定されます。空間と時間を通過する観察者の経路は、左側の垂直線で示されます。イベントに出入りする光線の経路は、斜線で示されています。
各オブザーバーは、レーダーを使用して光または電波のパルスを送信し、イベントがいつどこで発生したかを特定できます。パルスの一部がイベントから反射された後、観測者はエコーを受信した時間を測定できます。イベントの時間は、パルスが送信されたときと、パルスが受信されるために反射されたときの 2 つの瞬間の中間点と見なすことができ、イベントの距離は、往復時間の半分に を掛けたものと見なすことができます。光の速さ。 (この意味で、イベントとは、空間の特定の時点で特定の時点で発生するものです。) この意味を図 2 に示します。1つアップ。これは時空図の一例です。この手順を使用すると、相互に動いているオブザーバーは、同じイベントに異なる時間と場所を割り当てることができます。特定の観察者の測定値が他のどの測定値よりも正確というわけではありませんが、それらはすべて相関しています。観察者が他の人の相対速度を知っている限り、他の人が同じイベントに割り当てるべき時間と位置を正確に計算できます。
長さよりも正確に時間を測定できるため、この方法で距離を正確に測定します。実際には、メートルは、プラチナ原子時計で測定された 0.3335640952 秒で光が移動する距離として定義されます (この特定の数字の理由は、パリで保持されている特定のプラチナ棒によるメートルの歴史的な定義に対応するためです。画面上の 2 つのスケール)。同様に、光秒と呼ばれるより便利で最新の長さの単位を使用できます。これは、光が 1 秒間に移動する距離として単純に定義されます。ここで、距離を時間で定義し、光速を相対論で定義します。これにより、すべての観測者が自動的に同じ光速を測定します (定義により、0.3335640952 メートルごと)。マイケルソン・モーリーの実験が示したように、エーテルの存在は決して検出できないという考えを導入する必要はありません。しかし、相対性理論は、私たちの時間と空間の概念を根本的に変えさせます。私たちが受け入れなければならない考えは、時間は空間から完全に分離したり独立したりすることはできず、空間と結合して、いわゆる空間︱時間のオブジェクトを形成する必要があるということです。
私たちの通常の経験では、空間内の点の位置を記述するために 3 つの数値または座標を使用できます。たとえば、ある部屋のある点は、ある壁から 7 フィート、別の壁から 3 フィート、地面から 5 フィートの位置にあると言えます。特定の緯度、経度、高度でポイントを指定することもできます。限られた範囲内でのみ有効ですが、任意の 3 つの適切な座標を自由に選択できます。月の位置は、ロンドンのピカデリー サーカスの北と西のマイルと海抜フィートではなく、太陽からの距離、惑星の軌道面からの距離、および月と太陽を結ぶ線によって指定されます。これは、太陽とα︱ケンタウルスなどの近くの星との間の角度によって表されます。これらの座標でさえ、私たちの銀河での太陽の位置や、銀河の局所的なグループでの私たちの銀河の位置を記述するのにはあまり役に立ちません.実際、オーバーラップする座標フラグメントのファミリーによって宇宙全体を記述することができます。各フラグメントでは、異なる 3 つの座標セットを使用してポイントの位置を指定できます。図 II。二
イベントとは、空間内の特定の瞬間、特定のポイントで発生するものです。したがって、4 つの数値または座標によって決定することができ、座標系の選択は任意です。明確に定義された空間座標と任意の時間測定値を使用できます。相対性理論では、2 つの空間座標間に実際の違いがないのと同様に、時間座標と空間座標の間に実際の違いはありません。例えば、第１の空間座標が古い第１および第２の空間座標の組み合わせであるように、座標の新しいセットを選択することができる。たとえば、地球上のポイントは、ロンドンのピカデリー サーカスの北と西のマイルではなく、その北東と北西のマイルで測定されます。同様に、古い時間 (秒単位) にピカデリーから北への距離 (光秒単位) を加えた新しい時間座標を相対性理論で使用できます。図 II。三つ
イベントの 4 つの座標を、時空と呼ばれる 4 次元空間での位置を特定する手段と考えると便利な場合がよくあります。私にとって、3 次元空間を想像することは十分に困難です。しかし、地球の表面のような 2 次元空間の図を描くのは簡単です。 (地球上の点の位置は、緯度と経度などの 2 つの座標を使用して決定できるため、地球の表面は 2 次元です。) 通常は 2 次元プロットを使用します。ここで、上向きに増加する方向は時間であり、水平方向は空間座標です。他の 2 つの空間座標はそのままにしておくか、場合によってはそのうちの 1 つを遠近法で表示します。 (図 2.1 に示すように、これらは時空間図と呼ばれます。) たとえば、図 2.1 では。第二に、時間は上向きに測定され、年で測定されますが、太陽からα︱ケンタウルスまでの線に沿った距離は水平方向にマイルで測定されます。時空を通る太陽とα|ケンタウロスの経路は、図の左右の垂直線で示されています。太陽からの光は斜めに進み、太陽からα︱ケンタウルス座まで4年かかる。
これまで見てきたように、マクスウェルの方程式は、光源の速度に関係なく光の速度が同じであることを予測しており、これは正確な測定によって確認されています。したがって、光のパルスが特定の瞬間に空間の特定の点から放出されると、時間の経過とともに光球の形で広がり、光球の形状とサイズは速度に関係します。ソース。無関係。100 万分の 1 秒後、光は半径 300 メートルの球体に広がり、200 万分の 1 秒後、半径は 600 メートルになります。これは池に石を投げ込むようなもので、水面の波紋が四方八方に広がり、その波紋は円を描くように広がり、どんどん大きくなっていきます。3 次元モデルが池の 2 次元の表面と時間の 1 次元を含むと考えられる場合、これらの拡大する波の円は、石が水にぶつかる場所と時間を頂点とする円錐を表します (図 2.3)。同様に、事象から散乱した光は四次元時空で三次元円錐を形成し、この円錐は事象の未来光円錐と呼ばれる。同様に、過去の光円錐と呼ばれる別の円錐を描くことができます。これは、光パルスによってそのイベントに伝播できるすべてのイベントのセットを表します (図 2.4)。図 II。四
イベント P の過去と未来の光円錐は、時空を 3 つの領域に分割します (イベントの図集。P からの信号は、光よりも速く移動するものはないため、P の光錐の外側のイベントには移動できず、P で何が起こっても影響を受けません。光円錐の内部領域の過去の点は、P の絶対過去であり、光速以下の速度で移動する信号が P に到達できるすべてのイベントのセットです。したがって、これはイベント P に影響を与える可能性のあるすべてのイベントのセットです。過去の特定の瞬間にイベント P の過去の光円錐で何が起こったかがわかれば、P で何が起こるかを予測できます。残りの時空は、P の未来と過去のライト コーンを除くすべてのイベントのセットです。この部分のイベントは、P の影響を受けず、P に影響を与えることもできません。たとえば、太陽がこの瞬間に輝きを止めたと仮定すると、この瞬間の地球は太陽の消滅のイベントの光円錐の外にあるため、この瞬間に地球に影響を与えることはありません (図 2.6 ）。私たちは、太陽から光が届くまでの時間である 8 分後に、このイベントについて知ることができます。そうして初めて、太陽の消滅のイベントの将来の光円錐内の地球上のイベントになります。同じ理由で、現時点で宇宙のさらに外側で何が起こっているのかわかりません。非常に遠い銀河から私たちが見ている光は、私たちが見ている最も遠い天体が何百万年も前に放出されたものです。この場合、光は80億年前に放出されました。ですから、私たちが宇宙を見るとき、私たちはその過去を見ています。
アインシュタインとポアンカレが 1905 年に行ったように、重力の影響を無視すると、特殊相対性理論と呼ばれる理論が得られます。時空の各イベントに対して、光円錐 (イベントから放出されるすべての可能な光の軌跡のセット) を作成できます。各イベントでのどの方向の光の速度も同じであるため、すべての光円錐はすべて合同で、同じ方向を指します。この理論は、光より速く移動するものはないことも示しています。これは、空間と時間を通過するオブジェクトの軌跡が、それに当たる各イベントの光円錐内の線で表される必要があることを意味します (図 2.7)。
特殊相対性理論は、光の速度がすべての観測者で同じであるという事実をうまく説明し (マイケルソン・モーリーの実験で示されているように)、オブジェクトが光の速度に近づくとその動作が変化するという事実をうまく説明しています。ただし、ニュートンの重力理論とは一致しません。ニュートンの理論によると、物体間の引力は物体間の距離に依存します。これは、一方の物体を動かすと、他方の力が即座に変化することを意味します。言い換えれば、重力効果は無限の速度で移動する必要があり、特殊相対性理論で要求されるように、光速以下ではありません。アインシュタインは、1908 年から 1914 年にかけて、特殊相対性理論と互換性のある重力理論を見つけようと試みましたが、失敗に終わりました。1915 年、彼は最終的に、今日私たちが一般相対性理論として知っていることを提案しました。
アインシュタインは、重力は他の種類の力とは異なり、単に時空が平坦ではないという事実の結果であるという革命的なアイデアを思いつきました。彼が以前に仮定したように、時空はその中の質量とエネルギーの分布によって曲がったり歪んだりします。地球のような物体は、重力と呼ばれる力によって曲がった軌道をたどることはありませんが、代わりに、測地線と呼ばれる曲がった空間の直線に最も近い近似に従います。測地線は、隣接する 2 点間の最短 (または最長) パスです。例えば、地球の表面は曲がった二次元空間です。地球上の測地線は大円と呼ばれ、2 点間の最短経路です (図 2.8)。測地線は 2 つの空港間の最短距離であるため、ナビゲーターがパイロットに飛行を指示するルートはまさにこのルートです。一般相対性理論では、物体は常に 4 次元空間︱時間の直線に沿って進みます。しかし、私たちの 3D 空間では、曲がった経路をたどっているように見えます (これは、飛行機が非常に山岳地帯を飛んでいるのを見ているようなものです。3D 空間では直線で飛行しますが、2D 空間ではその影が湾曲した経路をたどります)。図 II。八
太陽の質量は空間︱時間を曲げるため、四次元空間︱時間では、地球は直線に沿って移動しますが、三次元空間では円に沿って移動するように見えます。実際、一般相対性理論によって予測された惑星の軌道は、ニュートンの重力理論によって予測されたものとほとんど同じです。しかし、太陽に最も近く、最も重力の影響を受け、かなり細長い軌道を持つ水星の場合、一般相対性理論は、その軌道楕円の長軸が 100 万年に約 1 度の割合で太陽の周りを移動すると予測しています。 .小さいながらも、この効果は 1915 年より前に注目され、アインシュタインの理論の最初のテストとして機能しました。近年、ニュートンの理論によって予測されたものからの他の惑星の軌道偏差がさらに小さいことがレーダーによって測定され、一般相対性理論の予測と一致することがわかっています。
光線はまた、時空測地線に沿って移動する必要があります。空間が曲がっているという事実は、やはり、光が空間をまっすぐに進んでいないように見えることを意味します。したがって、一般相対性理論は、光線が重力場によって曲げられる必要があると予測しています。たとえば、理論では、太陽に近い点にある光円錐は、太陽の質量のためにわずかに内側に偏向されると予測されています。これは、太陽のすぐ近くを通過する遠くの星からの光が小さな角度で曲げられていることを示しており、星は地球上の観測者には異なる位置にあるように見えます (図 2.9)。もちろん、星からの光が常に太陽のすぐ近くを通過する場合、光が偏向されているのか、それとも星が実際に見える場所にあるのかを知る方法はありません.しかし、地球が太陽の周りを回ると、さまざまな星が太陽の後ろを通過し、それらの光がそらされます。そのため、他の星との相対的な見かけの位置が変わります。図 II。九
通常の状況下では、この効果を観察することは非常に困難です。なぜなら、太陽の光によって、空の太陽の近くに現れる星を見ることができなくなるからです。ただし、太陽の光が月によって遮られる日食中に観察することは可能です。進行中の第一次世界大戦のため、光の偏向に関するアインシュタインの予測は、1915 年にはすぐには検証できませんでした。1919年まで、イギリスの遠征隊が西アフリカで日食を観察し、理論によって予測されたように、光が実際に太陽によってそらされたことを指摘しました.今回、ドイツ人の理論はイギリスによって証明され、戦後の両国間の偉大な和解行為として歓迎されました。皮肉なことに、この遠征の写真を後で調べたところ、測定しようとしていた効果と同じくらい誤差が大きいことが明らかになりました。彼らの測定は純粋な運、または科学で一般的なように、彼らが何をしようとしているのかを知っていた場合でした.しかし、光の偏向はその後の多くの観測によって正確に確認されました。
一般相対性理論のもう 1 つの予測は、地球のような大質量の物体の近くでは時間がゆっくりと流れるように見えるというものです。これは、光エネルギーとその周波数 (1 秒間に光が振動する回数) の間に関係があるためです。エネルギーが大きいほど、周波数が高くなります。光が地球の重力場から上に移動すると、エネルギーが失われるため、周波数が低下します (2 つのピーク間の時間間隔が長くなることを示します)。上から見ると、下で起こっていることはすべて時間がかかるように見えます。この予言は 1962 年に、給水塔の上部と下部に取り付けられた 1 組の非常に正確な時計を使用して検証されました。地球に近い下部の時計は、一般相対性理論と完全に一致して、よりゆっくりと動くことがわかりました。地球上のさまざまな高度での時計の速度の違いは、現在、非常に正確なナビゲーションのために衛星からの信号を使用しているため、実用上非常に重要です。もし人々が一般相対性理論の予測を知らなかったら、計算された位置は何マイルも間違っていたでしょう!
ニュートンの運動の法則は、空間における絶対位置の考えに終止符を打ちました。相対性理論は絶対時間を取り除きます。双子のペアを考えてみましょう. 子供の 1 人が山の頂上に住み、もう 1 人は海面にとどまるとします. 1 人目は 2 人目よりも早く老化します.そうすれば、再会した場合、一方が他方より年上になります。この場合、年齢差は非常に小さいです。しかし、子供が光速に近い速度で移動する宇宙船で長距離を移動した場合、その差はさらに大きくなります。彼が戻ったとき、彼は地球にとどまった他の人よりもずっと若いでしょう。これは双子のパラドックスとして知られています。しかし、これは心の中にまだ絶対的な時間を持っている人だけのパラドックスです。在相對論中並沒有一個唯一的絕對時間，相反地，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。
一九一五年之前，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，力相互吸引並排斥，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，情況則相當不同。這時，空間和時間變成為動力量：當一個物體運動時，或一個力起作用時，它影響了空間和時間的曲率；反過來，空間︱時間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所影響。正如一個人不用空間和時間的概念不能談宇宙的事件一樣，同樣在廣義相對論中，在宇宙界限之外講空間和時間是沒有意義的。
在以後的幾十年中，對空間和時間的新的理解是對我們的宇宙觀的變革。古老的關於基本上不變的、已經存在並將繼續存在無限久的宇宙的觀念，已為運動的、膨脹的並且看來是從一個有限的過去開始並將在有限的將來終結的宇宙的觀念所取代。這個變革正是下一章的內容。幾年之後又正是我研究理論物理的起始點。ロジャー。彭羅斯和我指出，從愛因斯坦廣義相對論可推斷出，宇宙必須有個開端，並可能有個終結。