什么是相对论

　　作者 爱因斯坦
　　节选 190页 商务印书馆 2018
　　……… 相对论就像一座由狭义相对论和广义相对论组成的两层建筑。作为广义相对论之基础的狭义相对论适用于除引力以外的-一切物理现象；广义相对论则提供了引力定律及其余自然力的关系。
　　当然，自古希腊时代起，人们就已经知道：为了描述一个物体的运动，需要有另一个物体作为第一个物体运动的参照。一辆车子的运动是参照地面来说的，一颗行星的运动则是参照可见恒星的全体来说的。在物理学中，诸事件在空间上参照的物体被称为坐标系。例如，伽利略和牛顿的力学定律只有借助于坐标系才能表述出来。
　　然而，要使力学定律有效，坐标系的运动状态就不能任意选取（它必须没有转动和加速)。力学中容许的坐标系被称为 ＂惯性系＂。按照力学，惯性系的运动状态并非由自然界唯一决定。相反，以下定义是成立的：一个相对于惯性系作匀速直线运动的坐标系同样是一个惯性系。所谓＂狭义相对性原理＂是指把这个定义推广到包含-一切自然事件。于是，凡是对坐标系C有效的普遍自然定律，对一个相对于 C 作匀速平移运动的坐标系C!也必定有效。
　　狭义相对论所基于的第二条原理是 ＂真空中光速不变原理＂。这条原理断言，光在真空中总有一个确定的传播速度，同观测者或光源的运动状态无关。物理学家们对这条原理的信任源于麦克斯韦和洛伦兹的电动力学所取得的成功。
　　上述两条原理都得到了经验的有力支持，但在逻辑上似乎并不相容。通过修改运动学，即（从物理学的观点）论述有关空间和时间之定律的学说，狭义相对论最终成功地把它们在逻辑上调和了起来。于是，除非相对于某个给定的坐标系，否则说两个事件是同时的就没有意义：测量工具的形状和时钟的快慢都必定依赖于它们相对于坐标系的运动状态。然而，包括伽利略和牛顿的运动定律在内的旧物理学并不符合上述的相对论性运动学。如果上述两条原理真的适用，那么自然定律必须服从由相对论性运动学所得出的普遍数学条件。物理学不得不适应这些条件。特别是，科学家们得到了关于飞速运动的质点的新运动定律，它在带电粒子的情况下已经得到了美妙的证实。狹义相对论最重要的结果与物质体系的惯性质量有关。该结果是：亠个体系的惯性必然依赖于它所含的能量。由此又直接得出了这样一种观念，即惯性质量就是潜在的能量。质量守恒原理失去了它的独立性，同能量守恒原理融合在一起狹义相对论不过是对麦克斯韦和洛伦兹电动力学的系统发展，但又指向它自身之外。
　　难道物理定律与坐标系的运动状态无关只限于坐标系彼此之间的匀速平移运动吗？大自然同我们的坐标系及其运动状态究竞有何关系呢？如果为了描述自然界而必须使用一个由我们随意引人的坐标系，那么对这个坐标系运动状态的选择就不应受到任何限制；定律应与这种选择完全无关（广义相对性原理）。
　　一个久已知晓的经验事实能使这条广义相对性原理更容易地建立起来，那就是：一个物体的重量和惯性受制于同-个常数（惯性质量与引力质量相等)。设想有一个坐标系相对于另一个牛顿意义上的惯性系作匀速转动。根据牛顿的教导．.相对于这个坐标系所显示出来的离心力应被视为惯性的效应。但就像重力一样，这些离心力与物体的质量成正比。在这种情况下，难道不可以把这个坐标系看成静止的，而把离心力看成引力吗？这种观点似乎是显而易见的，但却为经典力学所不容。
　　以上简短的思考暗示了广义相对论必领给出引力定律，而对这个想法所作的持续探素已经证明我们的希望是合理的。
　　但这条道路比我们想象得更加因难，因为它要求放弃欧几里得几何。也就是说，固体在空间中排列所遵循的定律并不完全符合欧几里得几何为物体指定的空间定律。这就是我们谈及＂空间弯曲＂时的意思。＂直线＂•〝平面＂等基本概念也因此在物理学中失去了严格意义。
　　在广 义相对论中，关于空间和时间的学说即运动学已不再同物理学的其余部分从根本上无关。物体的几何行为和时钟的运转都同引力场有关，而引力场又是由物质产生的。
　　从原理上看，新的引力论同牛顿理论大相径庭，但其实际结果却与牛顿理论的结果非常接近，以至于在经验领域很难找到判据来区分它们。迄今为止，我们找到的这种判据有：
　　1. 行星轨道的椭圆绕太阳的旋转（在水星的例子中已经得到证实）
　　2. 引力场的作用所引起的光线弯曲（已为英国人的日食照片所证实）
　　3. 从大质量的恒星发射到我们这里的光，其谱线朝着光谱的红端移动（尚未证实）。
　　该理论主要的吸引人之处在于逻辑上的完备性。只要有一个它所推出的结论被证明是错误的，它就必须被放弃；对它进行修改而不摧毀其整个结构似乎是不可能的。
　　不过，不要以为牛顿的伟大工作真的能被这一理论或任何其他理论所取代。作为自然哲学领域我们整个近代概念结构的基础，他那些伟大而明晰的观念将永葆其独特的意义。