爱因斯坦引起的震动

1915年，广义相对论从头到尾改变了人们对万有引力的构想：它不再被看作一种吸引力。正如我们在前文提到的，牛顿的欧几里得空间失去了正确性：从某种意义上说，它与时间“融合”了，以至于物理学的框架变成了因引力而变形的时空。这一概念革命同时也扰乱了宇宙学，因为在宇宙的层面，引力是占主导地位的相互作用：所有其他的相互作用——电磁力的、核的相互作用——都是可以忽略的。例如我们永远不会去尝试测量星系之间的电磁力。

爱因斯坦于1917年提出第一个“相对论宇宙学模型”；在把宇宙视为一个整体的层面上，这一模型以拥有整体几何特性的时空为框架，是他理论方程式的一个解。为了建立这个模型，爱因斯坦提出了他当时认为合理的三个必要条件：

第一个条件：在宇宙中物质的分配整体来说是均匀的。几乎所有宇宙学模型都在后来沿用了这一条件，它被称为宇宙学原理（principe cosmologique）。当然，这并不是想象一种完美的均质性：这一均匀性只在巨大的尺度上显现，比星系还要大许多！但作为最基本的方法，宇宙学家对“局部的”特性并不感兴趣：比如遍布宇宙的大质量天体——行星、恒星、星系等——产生的时空弯曲的变化。他们忽略这些局部的变形，有点像地理学家将地球看作“球体”一样，忘记其真实形状的细节：山岭，峡谷和海底。宇宙的整体曲率是相对论宇宙学家的研究对象：理论上说它既不为零，也不是恒定的。

爱因斯坦和马赫原理

在针对牛顿的绝对空间和绝对时间概念的众多批评中，奥地利哲学家和物理学家恩斯特·马赫的批评是特别中肯的，也许正是因为他的双重职业。对于马赫来说，绝对空间概念没有任何意义，他由此得出我们不能以绝对的方式讨论加速度（或旋转）。

让我们想象一下飘浮在空间中思考自己是否在自转的宇航员。马赫的观点是说，我们能够设想的可能的旋转仅仅是相对于宇宙中包含的其他天体（恒星、星系……）才成立的。如果宇航员是在一个完全没有物质和能量的宇宙中，这个问题则没有任何意义。

但是，如果他真是在自转，宇航员应该感受到“离心力”将自己的手臂向外拉。根据牛顿的观点，这一离心力是“惯性力”的一种体现，来自相对于绝对空间的运动。但根据马赫的观点，绝对空间并不存在，更应该将这一力量归咎于宇宙中所包含的大质量天体共同积累的影响力！

爱因斯坦引用了这些思想的一大部分，并将之称为“马赫原理”。他将之看作广义相对论和相对论宇宙学创立的决定性元素。他认为，空间（或者说是时空）不能有独立于其所包含的物质和能量之外的绝对存在性。他宣布：“如果所有事物意外地从世上消失，那么，对牛顿来说，还会剩下伽利略的惰性空间；但根据我的观念，什么都不会剩下。”即便有了这些言语，他的理论也并没有逐字逐句地遵守马赫原理：广义相对论的方程式允许没有任何内容的宇宙的存在，其形式为基本的几何时空！广义相对论被认为在众多方面都符合马赫思想的精神：时空的确有一个“相对”的特性，因为它受制于宇宙所拥有的质量和能量。

正是马赫原理引导爱因斯坦假设宇宙是封闭的（其体积有限）。如果我们认为惯性特性的确是因为宇宙中包含的质量整体，这样就很难想象，难道惯性是来自延伸至无限的物质吗？如果宇宙是封闭的，就没有这个疑问了。

注意：说宇宙整体上是封闭的并不表示它有边缘和边界。一个想要穿越宇宙（如爱因斯坦模型所描述）的空间旅行者，即便“一直向前”也永远不会到达任何边界。相反，他最终会在围绕宇宙一周以后回到其出发点（这完全是虚构的旅行，因为这当然需要几十亿年的时间）。正如地球上的旅行者（如果他能一直笔直前进而不考虑其他障碍）在绕地球一圈后会回到其出发点一样——地球就是个表面有限但没有任何边界的球体。