當一個大質量的恒星消耗完自己的核燃料時，其就會喪失掉熱量，同時會發生收縮。時空將會被彎翹得很厲害，從而甚至產生黑洞。甚至連光都不能夠從黑洞當中逃逸出來。時間也都會在黑洞之內終結。
彭羅斯和霍金證明了，廣義相對論中預言了，無論是該恒星還是那個不慎落入黑洞的可憐的航天員，他們的時間都將在黑洞當中走到終點。可是無論是時間的開端抑或是終結，這兩個都是不能被廣義相對論方程所定義的。而和量子理論的不協調就是廣義相對論在大爆炸處失效的原因。在20世紀早期引起的另一項偉大的觀念變革的理論就是量子理論。1900年，馬克斯·普朗克在柏林提出，假如光隻能以分立的稱為量子的波包發射或者吸收，那麼我們就可以解釋產生一個熾熱物體的輻射，而這是走向量相子理論的第一步。1905年，在由愛因斯坦撰寫的一篇具有開創性意義的論文中曾指出，普朗克的量子假設是可以用來解釋所謂的光電效應的。光電效應是一種當光照射到金屬表麵時釋放出電子的現象，而光電效應就是我們現代的光檢測器和電視攝像機的基礎，因此，愛因斯坦獲得了諾貝爾物理學獎。
一直到了20世紀20年代，愛因斯坦還在繼續研究量子的思想，可是哥本哈根的威納·海森伯、劍橋的保羅·狄拉克和蘇黎世的厄文·薛定諤這3個人的工作使愛因斯坦感到十分困擾，這3人發展了所謂量子力學的實在的新圖像，於是我們知道，微小的粒子將不再會同時具有確定的位置和速度。當粒子的位置被我們測量得越準確的時候，對於其速度的測量則越不準確，而相反的情況也同樣成立。基本定律中的這一隨機的不可預見的要素讓愛因斯坦震驚，他從未全盤接受過量子力學。
1932年12月，獲悉納粹和希特勒即將在德國上台之後，愛因斯坦離開了德國，同時在4個月後選擇放棄了德國國籍。愛因斯坦生命中的最後20年是在新澤西的普林斯頓的高等學術研究所度過的。
納粹在德國發動了反對“猶太人科學”運動，然而有趣的是，許多德國科學家其實是猶太人，這也許就是為什麼德國不能製造出原子彈的原因吧。而愛因斯坦和其發現的相對論成為了這個運動的最主要的目標。當愛因斯坦聽說將會出版一本題為《100個反愛因斯坦的作家》的圖書時，他這樣回答道：“為什麼要是100個人？假如我真的是錯誤的話，那麼一個人就遠遠足夠了。”在第二次世界大戰結束之後，愛因斯坦要求盟國政府建立一個世界政府用以控製原子彈。1948年，他還拒絕了擔任以色列新國家總統的邀請。愛因斯坦曾經說過：“政治隻是為了現在，而方程卻是一種永恒的東西。”廣義相對論的方程是愛因斯坦最好的墓誌銘和紀念碑，而這些將會和宇宙同在。
在20世紀，世界的改變超過了以往的任何時刻。這個原因當然不是什麼新的政治或經濟的教義，而是由於我們基礎科學的進步從而導致了技術的巨大發展。難道還會有人比阿爾伯特·愛因斯坦更能代表這些進步嗎？
廣義相對論
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廣義相對論給時間賦予了形狀，而這將又要怎樣和量子理論相互和諧？
對於任何關於時間或者任何別的概念的可靠的科學理論，依照霍金的意見來說，其都必須是基於可操作的科學哲學之上，這也是卡爾·波普和其他人所提出的實證主義的方法。而按照這種思維方式來講的話，科學理論其實也是一種數學模型，因為它要能描述和整理我們所進行的觀測。
牛頓提出時間和空間是獨立的，而時間就像是一根在兩個方向上都無限延伸的鐵軌。
在1687年出版的《數學原理》一書中，牛頓給出了我們關於時間和空間的第一個數學模型。在牛頓的模型中，時間和空間是事件發生的背景，同時不會受到事件的影響，時間和空間這兩者是獨立的。在牛頓看來，時間就像是一根單獨的線，或者是兩端無限延伸的鐵軌。而時間本身被認為是永恒的，而這是以其已經存在了並將繼續存在無限久的意義上來說的。而與此相反的是，當時絕大多數的人都認為宇宙是在短短的幾千年前以幾乎和現狀相同的形態誕生的，而這就引發了哲學家們的憂慮，德國思想家伊曼努爾·康德就說，假如宇宙是的的確確被創生的話，那麼為什麼要在誕生之前還要等待無限久？而在另一個方麵，假如宇宙已經存在了無限久的話，那麼為什麼將要發生的每一件事都不早就發生，從而使得曆史完結？重要的還是，為什麼宇宙到了現在都還尚未到達熱平衡，從而使得萬物都具有一樣的溫度？
中心的大球代表著一個大質量物體，譬如一個恒星，而它的質量會使它鄰近的膜彎曲，其曲率將會使在膜上滾動的滾珠軌跡偏折，並且圍繞著大球做運動，就和在一個恒星的引力場中的行星能圍繞著它公轉一樣。
這個問題被康德稱之為“純粹理性的二律背反”，因為其看起來就是一個邏輯矛盾，根本就沒有辦法解決。可是，隻是在牛頓數學模型的框架中，這一問題才是矛盾。在牛頓的模型中，時間是一根無限的線，獨立地存在於在宇宙中發生的東西之外。可是，就像我們在前麵看到的那樣，1915年，愛因斯坦提出了一種嶄新的數學模型：廣義相對論。在愛因斯坦發表那篇論文之後的年代裏，我們又將其添加了一些細節，可是由愛因斯坦所提出來的理論，其仍然是我們現在時間和空間模型的基礎。本章和下幾章將描述從愛因斯坦革命性論文之後的年代裏，我們的觀念是如何發展的，那是許多的人合作成功的故事。
廣義相對論，其將時間維和空間的三維合並，從而形成了所謂的時空。這個理論將引力效應表達成了在宇宙中，物質和能量的分布引起時空彎曲和畸變，使宇宙不再平坦。在時空當中的物體會想要沿著直線運動，可是因為時空本身就是彎曲的，物體的軌跡就會顯得被彎折了，而這樣的運動就像是受到了引力場的影響。
這是一個粗糙的比喻，請不要過於拘泥，請想象一張橡皮膜吧。我們把一個大球放在膜上，那個球代表太陽，球的質量會把膜壓陷下去，使之在太陽鄰近彎曲，於是當我們在膜上滾動小滾珠的時候，這些滾珠將不會直接地滾到對麵去，而是會圍繞著那個重物運動著，就好像行星繞著太陽公轉一樣。
在我們觀看遙遠的星係的時候，因為光是以有限的速度在傳播的，因此我們是在看過去的宇宙。而如果我們用垂直的方向來代表時間，而用水平方向來代表3個空間方向中的2個，那麼在現在到達並處於頂點的光線應該是沿一個圓錐麵朝我們而來的。
而在另一個方麵，在廣義相對論中，時間和空間這兩者的存在不僅不能獨立於宇宙，同時也不能夠相互獨立，而它們則是由宇宙中的測量定義的例如在鍾表中的石英晶體的振動數或者尺子的長度。而以這樣的方式在宇宙中定義的時間，其應該是有著一個最小或者最大的值的，也就是說，時間就是開端或者終結，而這是我們完全可以理解的。而在問起開端之前或者終結之後所發生的是什麼，沒有任何意義，因為在那時，時間都是不被定義的。
判斷廣義相對論的數學模型是不是能夠預言宇宙以及時間本身是否應該具有一個開端或者終結，這是很重要的。在包括愛因斯坦在內的理論物理學家當中，曾普遍存在著這樣一種成見：時間在兩個方向都必須是無限的，不然的話就會引起有關宇宙誕生的讓人不安的問題，而這個問題似乎存在於科學王國之外。我們都知道，愛因斯坦的方程中也提供了時間存在著開端或者終結的解，但是所有這些解其實都是很特殊的，擁有大量的對稱性。我們以為，在實際物體受到其引力而產生坍縮的時候，它的壓力或者斜方向的速度會阻止所有物質一道落向同一點，防止那一點的密度變得無限的大。相類似地，假如我們從時間的相反方向將宇宙發生膨脹倒溯回去，那麼也就會發現，其實宇宙當中的全部物質都並不是從那個具有無限密度的一點當中湧現的。我們將那個無限密度的點稱之為奇點，並且認為那是時間的開端或終結。
在1963年的時候，就有兩位蘇聯科學家——葉弗根尼·利弗席茲和艾薩克·哈拉尼科夫曾宣稱他們證明了所有存在奇點的愛因斯坦方程的解其實都對物質和速度做過了特殊的排列。而宇宙實際上並沒有這樣的特殊排列，於是這些解其實都是錯誤的。而幾乎所有能代表宇宙的解其實都在避免著無限密度的奇點。在宇宙膨脹時期之前一定有過一個預先的收縮相，在收縮相中，物質落到一起，但是相互之間並不發生碰撞，而是在現在的膨脹相中重新分離開來。假如事實果真是如此的話，那麼時間就會從無限過去向無限將來永遠流逝。
而利弗席茲和哈拉尼科夫的論證並沒有使所有人都信服。相反地，羅傑·彭羅斯和霍金采用了不同的手段，不像他們是基於解的細節上去研究，而是基於整個時空的全局結構。
微波背景譜測量了宇宙微波背景輻射譜——強度隨頻率的分布，那是一種典型的熱體輻射譜。而為了能夠使輻射一直處於熱平衡，物體一定將其散射了多次。這就表明，在我們的過去光錐上一定存在著足夠的物質使它向內彎折。
現在到了考慮我們的過去光錐的時候了，就是從遙遠的星係遠道而來的，就在現在終於到達我們的光線所經過的時空上途徑。而在一張時間向上方畫、空間往四邊畫的圖上，其是一個圓錐，而圓錐的頂點就是我們現在的時間和地點。我們發現了一個溫度比絕對零度高2．7度的物體發出的特征輻射譜。這種微波輻射雖然並不能溶化凍比薩餅，可是這個譜和2．7度的物體輻射譜是如此一致的事實告訴了我們，這種輻射一定是起源於對微波不透明的區域。
於是，我們能夠得出一個結論：在我們沿著過去光錐回溯過去的時候，它一定會通過一定量的物質，而這麼多的物質足以彎曲時空，於是就會使過去光錐中的光線往相互方向彎折。
當我們往過去回溯的時候，過去光錐的截麵會達到最大尺度，然後開始再度縮小，於是我們的過去是呈梨子形狀的。
更為確切地講，這就證明了粒子位置的不確定性乘以它的動量的不確定性總會比普朗克常量大，而普朗克常量是和一個光量子能量的含量密切相關的一個量。
時間具有開端或終結的觀念仍然令大多數的物理學家本能的討厭，於是他們指出，數學模型其實並不能很好地描述奇點附近的時空，而原因則是描述了引力的廣義相對論實際上是一種經典理論，就像在前麵我們提到的一樣，廣義相對論和量子理論的不確定性並不能相互協調，因為在宇宙中的絕大多數地方和時間裏，時空彎曲的尺度其實都是非常大的，而量子效應相應地就會變得尺度非常小，這種不一致性其實沒有什麼關係，可是如果在一個奇點附近的話，這兩種尺度相互比較，那麼量子引力效應就會很重要，而這樣，彭羅斯和霍金的奇性定理真正確立的是，其實在我們時空的經典區域在過去或許還在將來，就是以量子引力效應顯著的區域作為邊界的。而為了理解宇宙的起源和命運，我們就需要量子引力論。