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时空竟然比钢铁还坚硬亿万倍，这太荒谬了吧？！这也许是你的第一反应。但是，让我们静下心来好好想一想就会发现这是可以理解的。
铁球能让橡胶垫弯曲，这是因为橡胶垫支撑住了铁球的质量，如果放在一张纸上，铁球就会把纸压破掉到纸外去，所以橡胶垫比纸坚硬。那么你想一想，什么东西能承载质量是天文数字的各种天体呢？唯有时空！
天体在不停地运动，就像铁球在橡胶垫上不停滚动，天体可以把经过的时空“压”弯，但不会掉出去（如果掉出去，就到了另外一个宇宙的时空中了）。
关于时空的坚硬度，还可以换一个角度来看。时间一旦流逝就再难改变，想让时间维度伸缩那是难上加难，这岂不是坚硬无比吗？
当然，时空的弯曲和橡胶垫的弯曲是不同的，因为橡胶垫是三维物体，它的弯曲我们很容易看到，而时空是四维的，四维时空本身就很难想象其图像了，至于其如何弯曲就更难想象了。假如有一个生活在橡胶垫表面（图21-2 的xy 平面）的二维人，他是无法想象橡胶垫在厚度方向（z 方向）的弯曲的，他只能通过测量xy 平面的弯曲来间接证明z 方向的弯曲。如果你非常想知道四维时空弯曲的图像，那么可以把图21-2 中的xy 平面看作三维空间，z 轴看为时间轴，那么时空的弯曲就是图中的样子了。当然，我们虽然难以想象四维时空的弯曲是什么样子的，但可以间接证明它。爱因斯坦根据时空弯曲作出的天文学预言后来被一一验证，证明了时空弯曲是实实在在存在的。
爱因斯坦指出，在引力场中，自由粒子沿时空短程线运动。大质量的天体会使周围的时空发生明显弯曲，从而使通过其中的光线发生弯曲。当然，光是沿着最短路径行进的，但由于空间本身发生了弯曲，所以在空间中行进的光线也会跟着弯曲，它不可能突破三维空间跑到四维空间中去走直线。
图21-2 生活在xy 平面内的二维人无法想象z 方向的弯曲
射电天文学的发展为验证光在引力场中的偏转提供了精确的工具。如果射电星发射的电磁波（也就是光）经过太阳旁边，相应的电磁波就会受到引力场的作用而发生偏转。1974 年，美国科学家利用两个相距为3000km 的射电望远镜，测量了波长为11.1cm 的射电波，结果表明：经过太阳附近的射电波确实发生了偏转。这就证明了太阳附近的空间确实发生了弯曲。科学家们还通过光谱线引力红移和雷达回波延迟等效应证明了大质量天体附近的时间也是弯曲的。
时空的性质由引力决定，即由产生引力的物质决定。广义相对论的引力场方程（又称爱因斯坦场方程），是广义相对论的核心，它使用数学语言精确地描述了物质及其运动与时空的几何结构的关系。引力场方程并不复杂，但是它竟然可以描述宇宙的创生及演化过程，这实在是让世人为之惊叹。现在的宇宙模型就是在广义相对论的基础上发展建立的。
1917 年，在提出广义相对论之后不久，爱因斯坦就开始思考如何将这一理论用于宇宙研究。当时天文学家们仅仅只了解我们的银河系，甚至认为银河系就是整个宇宙，因而自然而然地认为宇宙是静态的——既不膨胀，又不收缩。但是爱因斯坦惊讶地发现，引力场方程描述的宇宙是动态的，不是膨胀就是收缩，永远不会是静止的。为了使宇宙保持静态，爱因斯坦只好假设另外有一个反引力与引力相抗衡。于是，他在引力场方程中引入了一个新的常数，并称为“宇宙常数”，用希腊字母λ 表示。
1929 年之后，天文学家们已经认识到，银河系只不过是诸多星系中的一个，遥远的星系正在离我们而去，宇宙不是静态的，而是膨胀的。爱因斯坦得知后马上放弃了宇宙常数，并将引入宇宙常数评价为自己一生中“最大的失误”。
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山重水复疑无路，柳暗花明又一村。从1998 年起，越来越多的天文观测证据表明，宇宙不但在膨胀，而且在加速膨胀，这就意味着的确有一个与引力相抗衡的力，宇宙常数可能确实存在。现代量子宇宙论认为，宇宙常数是宇宙量子真空涨落的结果，等效于真空能量密度。也就是说，爱因斯坦的宇宙常数在今天看来，就是真空能。但是人们发现当前宇宙常数值太小，而且宇宙常数与现在的宇宙物质密度巧合地具有相同的数量级。对此现有物理学理论还无法给出合理的解释，因此宇宙常数问题也成为物理学和天文学上的重大疑难之一。
广义相对论解释了宇宙天体中的许多现象，预言了黑洞、虫洞等的存在，开辟了探索宇宙本质的新视野，为现代宇宙学奠定了坚实的基础。
21.3 宇宙理论的发展
1932 年，比利时天文学家勒梅特首次提出宇宙大爆炸的假设，用这一假设，星系的退行可在爱因斯坦广义相对论框架内得到解释。1948 年，移居美国的苏联物理学家伽莫夫在勒梅特的基础上正式提出宇宙大爆炸理论，认为宇宙是由一个无限致密炽热的“奇点”于一百多亿年前的一次大爆炸后膨胀形成的。
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宇宙模型中的空间是有限的，但没有边界。所以大爆炸中的爆炸并非我们日常生活中见到的爆炸过程，事实上应该理解为空间的急剧膨胀，而整个空间是一个像二维球面一样能弯曲地回到原来位置的三维闭合球面。
伽莫夫在1948 年有一个惊人的预言：宇宙演化过程中残留下来的电磁辐射（以光子的形式）在宇宙中自由传播，成为大爆炸的“遗迹”残存至今，但是其温度已降低到只比绝对零度高几度，这就是所谓的“宇宙背景辐射”。1965 年，美国科学家彭齐亚斯和威尔逊在微波波段上探测到具有热辐射谱的宇宙背景辐射，温度大约为3K，验证了伽莫夫的预言。
随后，更多的科学家在更多的波段内验证了背景辐射的存在，从而为大爆炸宇宙学模型提供了令人信服的证据。图21-3 为欧洲航天局根据“普朗克”太空探测器传回的数据绘制的宇宙背景辐射图。
