●物理学的慢慢发展史
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综观人类科学发展，大致不外乎以下过程：对自然万象直接观察或者设计和控制实验来观测并以数字纪录(发生什么？)，从数据中摸索其规律并化为抽象简洁的数学式(如何发生？)，再从规律中发展一套理论来一以贯之地解释(为何发生？)并提出可供检验的预测，再回到实验/观测的步骤对预测作验证。科学在这样的回圈中不断地检验和自我修正而更臻完备，带动物质上以及思想上的进步。
比如说16世纪伽利略开创现代科学的先河，他设计物体运动的实验，并用数字定量的记录，得出物体动者恒动的惯性定律，推翻了自古希腊亚里士多德认为的万物趋于静止的学说，成为后来古典力学中牛顿三大运动定律的核心。同一时期丹麦天文学家第谷留下大量而准确的天体运行观测数据，使他的学生克卜勒得以发现当中的数学规律，得出著名的三大行星运动定律。牛顿从这些定律中发展出万有引力论：任两个物体间存在万有引力(重力)，引力的大小与物体质量成正比，与两物体间距离的平方成反比：
(式一：F:重力，G:重力常数，M1:物1质量，M2:物2质量，R:两物间距离)
不论是树上的苹果落地，还是天上的月亮绕着地球，到众行星绕着太阳运转，都可以用这个简单的理论来解释。人们发现天王星的轨道与理论预测有误差，从而推论天王星外还有行星存在，后来果真发现了海王星。
另一个与我们生活密切相关的电磁学也跟随类似的发展过程。众多的电和磁现象在19世纪由高斯、法拉第、安培等人归纳出以之为名的定律，后由马克斯威尔集其大成，将前人所有统整成四个方程式，统一电场和磁场，并预测电磁波的存在，而光即是电磁波的一种。不久电磁波的存在即被实验证实。
爱因斯坦于1905年发表的狭义相对论，立足在电磁学以及牛顿力学上，从两个基本的公设出发：真空中的光速对任何观察者均为一定值(光速不变性)，对于处于惯性(等速)运动的观察者物理定律皆相同(运动相对性)。由此他得到一个崭新的时间与空间概念：时间和空间并非相互独立存在，而是两者交织的结构，称为时空。
此时的牛顿力学有三个问题无法解决：
一、是物体的惯性质量(抗拒运动变化的程度F=ma)和引力质量(产生引力的程度，式中的M)为何会相同?
二、是牛顿论中重力传递是瞬时的，无论在宇宙何处都能立刻到达，与狭义相对论中任何速度无法超越光速冲突。
三、是无法精准预测水星轨道的进动，除非水星和太阳间还有行星存在，但观测上却迟迟未发现。
●广义相对论的孕育与诞生(1905-1915)
为了将重力纳入相对论(即广义相对论，以下简称广相)，爱因斯坦前后花了十年功夫才大功告成。不像其他科学理论是先有众多观测数据，再从中归纳出规律，广相的出现凭的是爱因斯坦他脑中的思想实验和卓绝的洞见。其中一个看似简单却关键的概念(爱因斯坦说它是一生中最快乐的想法)，称为等效原理，将重力与惯性运动连结起来：在一个与外界完全隔绝的小房间中，观察者是无法分辨他受到的是地球的重力，还是在无重力的外太空中以等加速度运动(可以回想在搭电梯加减速时增重/失重的感觉，这句话可以这么理解在没有参照的情况下，一个是重力，一个是加速产生的“重力”，两者等效)。从等效原理出发，爱因斯坦想到一个重力的新诠释：重力来自时空的弯曲，使得物体在弯曲时空惯性运动时，看起来有如受到力量而加速或偏折。为了将概念转换成严谨的数学，在与朋友的讨论及帮助下，爱因斯坦引入了德国数学家黎曼的几何学来描述弯曲的时空。最后他得到了一组方程式(爱因斯坦重力场方程式)，总括了整个理论:
式二
等式左边代表时空的几何曲率，右边代表物质(能量)的分布(和[1]式比较，两者有相似的形式)；物质、能量的存在会弯曲时空，弯曲的时空会影响物质、能量的分布，重力即时空的几何曲率。
广相的论文于1915年发表，其中完美地预测水星轨道进动。1919年，英国天文学家艾丁顿更在西非外海利用日全蚀时观测星光经过太阳受到重力的偏折，得到与广相预测相符的结果，使得广义相对论声名大噪。在接下来的十余年间，广相被应用在宇宙演化与星体上，但因为这个理论的出现不循常规、超前时代，其中许多预测直到1960年代后人类科技才有办法作实验观测来一一验证。
●黑洞:光也无法逃离的天体
在广相发表同年，德国物理学家史瓦西在一战戎马之余即得到广相的第一个精确解:一个静止、球对称的天体如何弯曲时空。在这个解里，如果一个天体密度极大，会使得它附近的某个范围内(称为事件视界)的时空极度弯曲，即便是宇宙中最快的光线也无法逃离，使天体完全黑暗，即所谓的黑洞。天文学家相信大质量恒星死亡时，外部会发生超新星爆炸，内部则可能塌缩成黑洞。若黑洞存在，因为它本身完全黑暗，无法直接观测，只能由它对周遭天体的重力效应间接得知。1970年代起，天文学家相继发现有些双星系统里拥有一颗不发光的大质量伴星或是附近发出强烈的X射线，以及银河系和其他星系的中心存在百万甚至上亿个太阳质量的致密天体，越来越多的观测证据支持黑洞的存在。
首次观测到黑洞的存在
●宇宙的演化和命运：宇宙学的兴起
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1922年，俄国物理学家弗里德曼等人先后从广相推导出宇宙的演化方程式，发现宇宙大小并非一成不变，而是可以膨胀收缩的。但当时人们普遍相信静态宇宙，爱因斯坦亦然。为了让宇宙从他的方程式中「停下来」，他引入了一项宇宙常数(即[2]式中的Λ)。1929年，美国天文学家哈伯观测到遥远的星系正离地球远去，证实宇宙正在膨胀。爱因斯坦得知后，感叹引入宇宙常数是他这辈子最愚蠢的错误。若宇宙正在膨胀，则宇宙在创始之初必定比现在小的多、挤的多、热的多；宇宙从高温致密的火球中诞生，此即大爆炸的宇宙论。1964年宇宙微波背景辐射的发现，与太初火球冷却至今日的温度相符，让大爆炸理论得以确立。另外宇宙大尺度结构也与广相预测符合，使大爆炸和广相成为今日宇宙学的标准模型。
拜广相之赐，宇宙的演化、命运自此不再纯属神话和哲学的范畴，而是可以精确定量描述和观测验证的科学。物理学家、量子力学创始人之一的波恩就誉广义相对论是「人类认识大自然最极致的心智活动。它集哲学的穿透性、物理学的直观洞见、及深邃的数学技巧，三位一体。」
●广相的挑战与修正：下一次物理革命？
前面我们看到爱因思坦的广义相对论一个如此简洁的方程式竟然能包罗万象，能描述宇宙的来龙去脉、恒星的衰亡。但是近年来的研究，开始显示广相尚有不完备之处。
1974年英国物理学家霍金尝试结合广相、量子力学(描述如原子、分子等微观世界)、统计力学(描述大群粒子特性)，发现黑洞事件视界并非完全黑暗，而是会发出辐射造成黑洞慢慢蒸发! 若黑洞最后以霍金辐射的形式蒸发，则当初掉入黑洞的讯息就从宇宙中消失了，这个与量子力学中讯息不会消失的基本假设牴触。此即黑洞讯息悖论，带出了量子力学与广义相对论的不互洽，究竟讯息会不会消失，目前仍是争论中的热门问题。
1998年宇宙学家们从超新星的观测发现宇宙正在加速膨胀，代表宇宙成分中有约70%由一种未知的暗能量组成，施加斥力将万物彼此推开，也因此暗能量的性质，主宰了宇宙未来的命运。暗能量其中一种最简单和可能的解释，即是爱因斯坦当年自责的宇宙常数Λ！宇宙常数的性质与量子力学中的真空能量相符，但若由目前物理学预测量子真空能量大小，得到的值竟比观测到的宇宙常数值大了124个数量级(1后面接124个0倍大)！这可说是物理史上最严重的误差，也代表广义相对论与量子论间仍有未解之处。（哪位可以解决，是下个大神般的存在！）
在20世纪初，热力学的奠基者凯尔文男爵认为当时物理学(古典力学、电磁学、热力学)已然成熟完备，唯有两个现象无法解释，如同晴空天边的两朵乌云：
谁也没想到这两朵云竟然掀起惊涛骇浪，引发整个物理学的革命，近代物理的两个支柱：相对论与量子力学由此而生。百年后的今日，相对论与量子力学带来的宇宙常数问题和黑洞讯息遗失问题,恰如当年的两片乌云，是不是又会引发下一次的物理学革命呢？敬请拭目以待。
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