这样，加上一个更高的维就帮助我们统一了自然定律。牛顿在300年前的著作中认为，时间节拍在宇宙中处处都有相同的速率。不管我们身在地球上，还是火星上，或是遥远的恒星上，我们希望钟表都以同样的速率滴答滴答地走。他设想在整个宇宙中时间都有一种绝对而均匀的节律。时间和空间之间的转换是不可想象的。时间和空间是两个没有联系且性质迥然不同的量。

然而根据狭义相对论，时间的节拍可以有不同的速率，其速率的快慢取决于物体运动的快慢。时间是第四维，意味着时间与在空间中的运动有着本质的联系。钟表滴答的快慢，依赖于钟表本身在空间中运动的快慢。用处在环绕地球运行的轨道上的原子钟所做的精确实验已经证实，地球上的钟和太空中的钟以不同的速率走着。

每当回想起我第一次遇到麦克斯韦场方程的情景，我也就想起第四维简化了自然定律。麦克斯韦的8个方程冗杂而且难于记忆，因为时间和空间被分开处理。

如果时间是被作为第四维来对待。那么麦克斯韦方程便具有高度的对称性，即时间和空间可以相互转变。而麦克斯韦方程写成相对论形式时（如果我们把空间“旋转”成时间），它仍然保持原来的形式。

• 四维形式的麦克斯韦方程组

令人惊奇的是，这个用相对论形式写成的简单方程所包含的物理内容，与麦克斯韦原来写下的8个方程所含的物理内容是一样的。这就是我最初领略到的物理学之美。

爱因斯坦意识到如果空间和时间能被统一成一个叫做时空的统一体，那么物质和能量可能也能被辩证地统一起来。他推理道，如果尺子收缩，时钟变慢，那么我们用尺子和时钟测量的每一样东西也将必定发生变化。然而，在物理学家的实验室里，几乎每样东西都要通过尺子和钟表来测量。这意味着，物理学家必须重新校验他们原来想当然认为是常量的所有实验室物理量。特别是能量，它是一个依赖于我们测量的长度和时间间隔的物理量。

更重要的是，爱因斯坦发现，汽车的质量随着其速度的提高而增大。但是这些多余的质量来自何处呢？爱因斯坦的结论是，它来源于能量。

19世纪物理学的伟大发现中包含有质量守恒和能量守恒两大成果。它们的意思就是，在一个封闭系统中的总质量和总能量各自存在，它们都不会发生变化。然而，爱因斯坦现在却说能量可以转化成质量，这是一种新的守恒原理，即质量和能量的总和必须永远保持不变。物质不会突然消失，能量也不会凭空产生。

爱因斯坦26岁时，就发现了关系式E=mc^2，这种计算以相对论原理正确无误为基础。光速的平方是一个巨大的数字，所以少量物质就能释放出巨大能量。在某种意义上，物质可以看作一种几乎用之不竭的能量储存室，即物质是一种浓缩的能量。从那时起，物质和能量的概念就被当作为一个整体——质能。

仅仅是狭义相对论原理，就已确保了他在物理学巨人中的地位。然而，爱因斯坦还不满足，他通过引入两个新概念时空和质能，运用第四维来统一自然定律。虽然他揭开了自然界中最深层的秘密，但他意识到在他的理论中仍有几处漏洞。这两个新概念之间的关系是什么？更具体地说，在狭义相对论中未予考虑的加速运动的情况又会怎样呢？在引力场中又如何呢？

普朗克告诫年轻的爱因斯坦，引力的问题太难了，

作为一个老朋友我劝你别碰它（引力），因为首先你不会成功，即使你成功了，也没人相信你。

然而，爱因斯坦决然去揭开引力的秘密。爱因斯坦曾回忆道，

我正坐在伯尔尼专利局的办公椅上时，一个思想突然出现在我脑海中。这个思想就是，如果一个人自由下落，那么他将不会感觉到自己的重量。这个简单的思想给了我很深的印象。它激励着我朝引力理论去发展。

爱因斯坦称它为“我一生中最得意的思想”。

爱因斯坦抓住了引力的基本实质∶加速参照系中的自然定律等效于引力场中的自然定律。这个简单的陈述称为等效原理，它对平常人而言不会得到更多的东西，但是一旦到了爱因斯坦手中，它就变成某种宇宙理论的基础。

爱因斯坦知道物理学有一条基本原理，即光束将在两点之间走所需时间最少的路径（这就是所谓的费马最短时间原理）。通常，两点之间所花时间最少的光路是直线，因此光束是直的。（即使当光弯折进入玻璃之中，它仍然遵守最短时间原理。这是因为光在玻璃中速度变慢了，现在光通过空气和玻璃的结合体所花时间最短的路径是折线）。

然而，如果光在两点之间走所花时间最短的路径，而且光束在引力的影响下弯曲，那么两点之间最短的距离就是一条曲线。爱因斯坦被这个结论震惊了∶如果光能被观察到以曲线传播，那么这就意味着空间本身是弯曲的。

爱因斯坦思想的核心，是“力”能用纯几何学来解释。爱因斯坦独立发现了黎曼原先的思想，即用纯粹几何的方式解释“力”的概念。黎曼用生活在褶皱纸张上的二维人作为类比。对于我们而言，在褶皱表面移动的二维人显然不可能走一条直线。无论他们走哪条路，他们都将受到一个"力"，这个力或左或右地作用着他们。对于黎曼而言，空间的弯曲造成了力的出现。因此，力并不真正存在。

然而，黎曼方案的问题在于，他没有关于引力或电磁力如何引起空间弯曲的具体想法。他的方案是纯数学的，没有如何实现空间弯曲的具体精确的物理描述。在黎曼失败的地方，爱因斯坦成功了。

爱因斯坦注意到，太阳的存在使光发生弯曲。所以，这个简单的物理绘景给出了一种用实验来检验理论的方法。首先，我们在夜间测量恒星的位置，此时没有太阳影响。然后在日食期间，再次测量这些恒星的位置，此时是有太阳影响的（但阳光的强度不足以压倒星光）。根据爱因斯坦原理，当太阳出现时恒星的表观相对位置应该改变，因为太阳的引力场将使那些星光到达地球时的路径发生弯曲。通过比较夜间和日食时的恒星照片，人们应该能检验这一理论。