文/全歷史 一口

1905年6月，愛(ài)因斯坦發(fā)表《論運(yùn)體的電動(dòng)力學(xué)》，完整地提出了狹義相對(duì)論理論。1916年，《廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)》發(fā)表；同年底，愛(ài)因斯坦又寫(xiě)了《狹義與廣義相對(duì)論淺說(shuō)》。

至此，相對(duì)論理論的構(gòu)建基本完成。

其中，狹義相對(duì)論適用于所有沒(méi)有引力或引力作用可以忽略不計(jì)的物理現(xiàn)象，廣義相對(duì)論則討論了有引力作用時(shí)的物理現(xiàn)象，適用于天體物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域。

相對(duì)論改變了20世紀(jì)的理論物理學(xué)和天文學(xué)，取代了牛頓創(chuàng)立的經(jīng)典力學(xué)體系和時(shí)空觀念，和量子力學(xué)一起奠定了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。它引入的一些概念，如彎曲時(shí)空、時(shí)空穿越、時(shí)間膨脹、多維空間等等，更新了人類對(duì)宇宙和自然的常識(shí)性觀念。

根據(jù)廣義相對(duì)論，由于有物質(zhì)的存在，物質(zhì)和時(shí)間（時(shí)空）會(huì)發(fā)生彎曲，時(shí)空彎曲的是質(zhì)量（能量）造成的結(jié)果，萬(wàn)有引力是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)

廣義和狹義相對(duì)論的具體內(nèi)容到底是什么呢？

首先，狹義相對(duì)論是關(guān)于時(shí)空結(jié)構(gòu)的理論，是對(duì)牛頓的絕對(duì)時(shí)空理論的拓展，它基于兩條基本假設(shè)：一是狹義相對(duì)性原理，即物理定律對(duì)于任何慣性參考系（靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系）中的所有觀察者都是相同的；二是光速不變?cè)?，即真空中的光速在任何參考系下都是恒定不變的常?shù)，且與光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。

愛(ài)因斯坦在這里表達(dá)的主要觀點(diǎn)是，時(shí)間和空間并不是相互獨(dú)立的，而是緊密聯(lián)系的一個(gè)整體，即時(shí)空統(tǒng)一的觀念。時(shí)間流速和物體運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)，物體在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間膨脹和尺縮效應(yīng)。前者是指一個(gè)物體相對(duì)于一個(gè)慣性參考系作高速運(yùn)動(dòng)，它的時(shí)間會(huì)發(fā)生膨脹，大概可以理解成它的一秒相當(dāng)于慣性參考系的兩秒，但它們各自感受到的時(shí)間流逝速度是正常的。后者則是指相對(duì)于慣性參考系運(yùn)動(dòng)的物體，在慣性參考系下看它，它的尺度會(huì)變短。

廣義相對(duì)論則是描述物質(zhì)間引力相互作用的理論，在這一理論中，愛(ài)因斯坦首次把引力場(chǎng)解釋成時(shí)空的彎曲，一個(gè)物體質(zhì)量越大引發(fā)的時(shí)空扭曲程度越大。它的兩個(gè)基本原理是：等效原理，即慣性力場(chǎng)與引力場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)是局部不可分辨的；廣義相對(duì)性原理，即“任意非慣性坐標(biāo)系中的物理規(guī)律等同于受到等效引力的坐標(biāo)系中的物理規(guī)律”，物體的慣性質(zhì)量恒等于引力質(zhì)量。

那么，愛(ài)因斯坦為何能夠提出相對(duì)論呢？

首先，經(jīng)典物理學(xué)理論體系的內(nèi)在邏輯的矛盾性亟待解決。

從根本上說(shuō)，狹義相對(duì)論就是因?yàn)榻?jīng)典物理學(xué)理論體系的內(nèi)在邏輯的不統(tǒng)一性——牛頓力學(xué)與麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)的不統(tǒng)一性而創(chuàng)立的。

這種不統(tǒng)一性是以光的傳播定律與相對(duì)性原理在經(jīng)典力學(xué)框架下的矛盾呈現(xiàn)的。

光的傳播定律是說(shuō)，光在真空中相對(duì)于一切慣性系在各方向上的速度都可視作一個(gè)常數(shù)，與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。

如果我們利用伽利略變換（經(jīng)典力學(xué)中轉(zhuǎn)換兩個(gè)以勻速做相對(duì)移動(dòng)的參考系的方法），將麥克斯韋的電動(dòng)力學(xué)方程式從一個(gè)座標(biāo)系轉(zhuǎn)換到另一個(gè)座標(biāo)系中，卻會(huì)發(fā)現(xiàn)光速改變了。

這樣一來(lái)切中經(jīng)典物理學(xué)核心——絕對(duì)時(shí)空觀的伽利略變化和電動(dòng)力學(xué)的奠基理論麥克斯韋方程式就發(fā)生了沖突。

麥克斯韋方程式在許多實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)良好，不但預(yù)測(cè)了電磁波(光)的存在，而且對(duì)于電場(chǎng)磁場(chǎng)的描述也十分正確，而伽利略轉(zhuǎn)換則是經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)。

在20世紀(jì)初，這一問(wèn)題困擾著許多物理學(xué)家，這兩個(gè)方程式任何一者出了錯(cuò)，對(duì)于物理界都是災(zāi)難。

麥克斯韋是經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)創(chuàng)始人，其著作《論電和磁》被認(rèn)為是繼牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》之后最重要的物理學(xué)經(jīng)典之一

愛(ài)因斯坦選擇將光速恒定理論引入狹義相對(duì)論，用狹義相對(duì)性原理修正伽利略變換。對(duì)于狹義相對(duì)性原理，愛(ài)因斯坦明白地給出了定義：如果一個(gè)坐標(biāo)系B相對(duì)于坐標(biāo)系A(chǔ)作勻速運(yùn)動(dòng)而無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)，那么自然現(xiàn)象相對(duì)于坐標(biāo)系B的發(fā)展所遵循的普遍定律將與相對(duì)于坐標(biāo)系A(chǔ)相同。 所有慣性坐標(biāo)系滿足完全相同的物理規(guī)律，它們之間都是對(duì)等的，沒(méi)有哪個(gè)是特殊的。它們之間的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的而非絕對(duì)的。

1905年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了他關(guān)于相對(duì)論的論文。同年9月，他又寫(xiě)了短文《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？》作為狹義相對(duì)論的一個(gè)推論。質(zhì)能相當(dāng)性是原子核物理學(xué)和粒子物理學(xué)的理論基礎(chǔ)，為20世紀(jì)40年代實(shí)現(xiàn)的核能的釋放和利用開(kāi)辟了道路。

其次，狹義相對(duì)論打破了牛頓的經(jīng)典時(shí)空觀念，為廣義相對(duì)論的建立做了鋪墊。

狹義相對(duì)論建立后，愛(ài)因斯坦曾力圖把相對(duì)性原理的適用范圍推廣到非慣性系。他從伽利略發(fā)現(xiàn)的引力場(chǎng)中一切物體都具有同一加速度這一古老實(shí)驗(yàn)事實(shí)找到了突破口，于1907年提出了等效原理。

本質(zhì)上，所有的物理學(xué)問(wèn)題都涉及采用哪個(gè)時(shí)空觀的問(wèn)題。在二十世紀(jì)以前的經(jīng)典物理學(xué)里，人們采用的是牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀。而相對(duì)論的提出改變了這種時(shí)空觀，這就導(dǎo)致人們必須依相對(duì)論的要求對(duì)經(jīng)典物理學(xué)的公式進(jìn)行改寫(xiě)，以使其具有相對(duì)論所要求的洛倫茲協(xié)變性而不是以往的伽利略協(xié)變性。

在這里，還需要說(shuō)明一下伽利略變換和洛倫茲變換的含義：前者是指地面坐標(biāo)系，和相對(duì)于地面速度V的坐標(biāo)系中，同一束光的速度不可能相同；后者是指如果時(shí)空結(jié)構(gòu)不是固定不變的，那么就可以做到所有慣性系中的光速都相同。

在經(jīng)典理論物理的三大領(lǐng)域，電動(dòng)力學(xué)本身就是洛倫茲協(xié)變的，無(wú)需改寫(xiě)；統(tǒng)計(jì)力學(xué)有一定的特殊性，但這一特殊性并不帶來(lái)很多急需解決的原則上的困難；而經(jīng)典力學(xué)大部分都可以成功的改寫(xiě)為相對(duì)論形式，以使其可以用來(lái)更好的描述高速運(yùn)動(dòng)下的物體，唯獨(dú)牛頓的萬(wàn)有引力理論無(wú)法在狹義相對(duì)論的框架體系下改寫(xiě)，這直接導(dǎo)致愛(ài)因斯坦擴(kuò)展其狹義相對(duì)論，而得到了廣義相對(duì)論。

1911年，他發(fā)現(xiàn)引力場(chǎng)中歐氏幾何并不嚴(yán)格有效。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)洛倫茲變化不是普遍的，等效原理只對(duì)無(wú)限小區(qū)域有效……這時(shí)的愛(ài)因斯坦已經(jīng)有了廣義相對(duì)論的思想，但他還缺乏建立它所必需的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

次年，他在黎曼幾何和張量分析中找到了建立廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)工具。

1913年，他和數(shù)學(xué)家格羅斯曼合作發(fā)表了《廣義相對(duì)論綱要和引力理論》，提出了引力的度規(guī)場(chǎng)理論，首次把引力和度規(guī)結(jié)合起來(lái)，使黎曼幾何獲得實(shí)在的物理意義。

不過(guò)它們當(dāng)時(shí)得到的引力場(chǎng)方程只對(duì)線性變換是協(xié)變的，還不具有廣義相對(duì)論原理所要求的任意坐標(biāo)變換下的協(xié)變性。

1915年11月4日，在第一篇論文中他得到了滿足守恒定律的普遍協(xié)變的引力場(chǎng)方程，但加了一個(gè)不必要的限制。1915年11月25日，在《引力的場(chǎng)方程》中，他放棄了對(duì)變換群的不必要限制，建立了真正普遍協(xié)變的引力場(chǎng)方程，宣告廣義相對(duì)論作為一種邏輯結(jié)構(gòu)終于完成了。

1917年，愛(ài)因斯坦用廣義相對(duì)論的結(jié)果來(lái)研究宇宙的時(shí)空結(jié)構(gòu)，發(fā)表了開(kāi)創(chuàng)性的論文《根據(jù)廣義相對(duì)論對(duì)宇宙所做的考察》。論文分析了“宇宙在空間上是無(wú)限的”這一傳統(tǒng)觀念，指出它同牛頓引力理論和廣義相對(duì)論都是不協(xié)調(diào)的。他認(rèn)為，唯一可能的解決辦法是把宇宙看作是一個(gè)具有有限空間體積的自身閉合的連續(xù)區(qū)，以科學(xué)論據(jù)推論宇宙在空間上是有限無(wú)邊的。

1937年，在兩個(gè)助手合作下，他從廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)方程推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)一步揭示了空間——時(shí)間、物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)之間的統(tǒng)一性，這是廣義相對(duì)論的重大發(fā)展，也是愛(ài)因斯坦取得的最后一個(gè)重大成果。

相對(duì)論對(duì)于現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展和現(xiàn)代人類思想的發(fā)展都有巨大的影響。

首先，相對(duì)論從邏輯思想上統(tǒng)一了經(jīng)典物理學(xué)，使經(jīng)典物理學(xué)成為一個(gè)完美的科學(xué)體系。

狹義相對(duì)論在狹義相對(duì)性原理的基礎(chǔ)上統(tǒng)一了牛頓力學(xué)和麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)兩個(gè)體系，指出他們都服從狹義相對(duì)性原理，都是對(duì)洛倫茲變換協(xié)變的，牛頓力學(xué)只不過(guò)是物體在低速運(yùn)動(dòng)下很好的近似規(guī)律。

廣義相對(duì)論又在廣義協(xié)變的基礎(chǔ)上，通過(guò)等效原理，建立了局域慣性長(zhǎng)于普遍參照系數(shù)之間的關(guān)系，得到了所有物理規(guī)律的廣義協(xié)變形式，并建立了廣義協(xié)變的引力理論，而牛頓引力理論知識(shí)它的一級(jí)近似。

愛(ài)因斯坦

這就從根本上解決了以前物理學(xué)只限于慣性系數(shù)的問(wèn)題，從邏輯上得到了合理的安排。相對(duì)論嚴(yán)格地考察了時(shí)間、空間、物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)這些物理學(xué)的基本概念，給出了科學(xué)而系統(tǒng)的時(shí)空觀和物質(zhì)觀，從而使物理學(xué)的邏輯上成為完美的科學(xué)體系。

其次，開(kāi)啟了微觀粒子世界的研究，為原子時(shí)代和航空時(shí)代的到來(lái)奠定了理論基礎(chǔ)。

狹義相對(duì)論給出了物體在高速運(yùn)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并提示了質(zhì)量與能量相當(dāng)，給出了質(zhì)能關(guān)系式。這兩項(xiàng)成果對(duì)低速運(yùn)動(dòng)的宏觀物體并不明顯，但在研究微觀粒子時(shí)卻顯示了極端的重要性。因?yàn)槲⒂^粒子的運(yùn)動(dòng)速度一般都比較快，有的接近甚至達(dá)到光速，所以粒子的物理學(xué)離不開(kāi)相對(duì)論。質(zhì)能關(guān)系式不僅為量子理論的建立和發(fā)展創(chuàng)造了必要的條件，而且為原子核物理學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用提供了根據(jù)。

廣義相對(duì)論建立了完善的引力理論，而引力理論主要涉及的是天體。到現(xiàn)在，相對(duì)論宇宙學(xué)進(jìn)一步發(fā)展，而引力波物理、致密天體物理和黑洞物理這些屬于相對(duì)論天體物理學(xué)的分支學(xué)科都有一定的進(jìn)展，吸引了許多科學(xué)家進(jìn)行研究。

1955年，愛(ài)因斯坦逝世，一位法國(guó)物理學(xué)家給出這樣的評(píng)論：在我們這一時(shí)代的物理學(xué)家中，愛(ài)因斯坦將位于最前列。他現(xiàn)在是、將來(lái)也還是人類宇宙中最有光輝的巨星之一。