相對論：顛覆世界的理論

文/全歷史 一口

1905年6月，愛因斯坦發表《論運體的電動力學》，完整地提出了狹義相對論理論。1916年，《廣義相對論的基礎》發表；同年底，愛因斯坦又寫了《狹義與廣義相對論淺說》。

至此，相對論理論的構建基本完成。

其中，狹義相對論適用于所有沒有引力或引力作用可以忽略不計的物理現象，廣義相對論則討論了有引力作用時的物理現象，適用于天體物理學和天文學領域。

相對論改變了20世紀的理論物理學和天文學，取代了牛頓創立的經典力學體系和時空觀念，和量子力學一起奠定了現代物理學的基礎。它引入的一些概念，如彎曲時空、時空穿越、時間膨脹、多維空間等等，更新了人類對宇宙和自然的常識性觀念。

根據廣義相對論，由于有物質的存在，物質和時間（時空）會發生彎曲，時空彎曲的是質量（能量）造成的結果，萬有引力是時空彎曲的表現

廣義和狹義相對論的具體內容到底是什么呢？

首先，狹義相對論是關于時空結構的理論，是對牛頓的絕對時空理論的拓展，它基于兩條基本假設：一是狹義相對性原理，即物理定律對于任何慣性參考系（靜止或作勻速直線運動的參考系）中的所有觀察者都是相同的；二是光速不變原理，即真空中的光速在任何參考系下都是恒定不變的常數，且與光源的運動無關。

愛因斯坦在這里表達的主要觀點是，時間和空間并不是相互獨立的，而是緊密聯系的一個整體，即時空統一的觀念。時間流速和物體運動的速度有關，物體在高速運動時會產生時間膨脹和尺縮效應。前者是指一個物體相對于一個慣性參考系作高速運動，它的時間會發生膨脹，大概可以理解成它的一秒相當于慣性參考系的兩秒，但它們各自感受到的時間流逝速度是正常的。后者則是指相對于慣性參考系運動的物體，在慣性參考系下看它，它的尺度會變短。

廣義相對論則是描述物質間引力相互作用的理論，在這一理論中，愛因斯坦首次把引力場解釋成時空的彎曲，一個物體質量越大引發的時空扭曲程度越大。它的兩個基本原理是：等效原理，即慣性力場與引力場的動力學效應是局部不可分辨的；廣義相對性原理，即“任意非慣性坐標系中的物理規律等同于受到等效引力的坐標系中的物理規律”，物體的慣性質量恒等于引力質量。

那么，愛因斯坦為何能夠提出相對論呢？

首先，經典物理學理論體系的內在邏輯的矛盾性亟待解決。

從根本上說，狹義相對論就是因為經典物理學理論體系的內在邏輯的不統一性——牛頓力學與麥克斯韋電動力學的不統一性而創立的。

這種不統一性是以光的傳播定律與相對性原理在經典力學框架下的矛盾呈現的。

光的傳播定律是說，光在真空中相對于一切慣性系在各方向上的速度都可視作一個常數，與光源的運動狀態無關。

如果我們利用伽利略變換（經典力學中轉換兩個以勻速做相對移動的參考系的方法），將麥克斯韋的電動力學方程式從一個座標系轉換到另一個座標系中，卻會發現光速改變了。

這樣一來切中經典物理學核心——絕對時空觀的伽利略變化和電動力學的奠基理論麥克斯韋方程式就發生了沖突。

麥克斯韋方程式在許多實驗中表現良好，不但預測了電磁波(光)的存在，而且對于電場磁場的描述也十分正確，而伽利略轉換則是經典物理學的基礎。

在20世紀初，這一問題困擾著許多物理學家，這兩個方程式任何一者出了錯，對于物理界都是災難。

麥克斯韋是經典電動力學創始人，其著作《論電和磁》被認為是繼牛頓的《自然哲學的數學原理》之后最重要的物理學經典之一

愛因斯坦選擇將光速恒定理論引入狹義相對論，用狹義相對性原理修正伽利略變換。對于狹義相對性原理，愛因斯坦明白地給出了定義：如果一個坐標系B相對于坐標系A作勻速運動而無轉動，那么自然現象相對于坐標系B的發展所遵循的普遍定律將與相對于坐標系A相同。 所有慣性坐標系滿足完全相同的物理規律，它們之間都是對等的，沒有哪個是特殊的。它們之間的運動是相對的而非絕對的。

1905年，愛因斯坦發表了他關于相對論的論文。同年9月，他又寫了短文《物體的慣性同它所含的能量有關嗎？》作為狹義相對論的一個推論。質能相當性是原子核物理學和粒子物理學的理論基礎，為20世紀40年代實現的核能的釋放和利用開辟了道路。

其次，狹義相對論打破了牛頓的經典時空觀念，為廣義相對論的建立做了鋪墊。

狹義相對論建立后，愛因斯坦曾力圖把相對性原理的適用范圍推廣到非慣性系。他從伽利略發現的引力場中一切物體都具有同一加速度這一古老實驗事實找到了突破口，于1907年提出了等效原理。

本質上，所有的物理學問題都涉及采用哪個時空觀的問題。在二十世紀以前的經典物理學里，人們采用的是牛頓的絕對時空觀。而相對論的提出改變了這種時空觀，這就導致人們必須依相對論的要求對經典物理學的公式進行改寫，以使其具有相對論所要求的洛倫茲協變性而不是以往的伽利略協變性。

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

在經典理論物理的三大領域，電動力學本身就是洛倫茲協變的，無需改寫；統計力學有一定的特殊性，但這一特殊性并不帶來很多急需解決的原則上的困難；而經典力學大部分都可以成功的改寫為相對論形式，以使其可以用來更好的描述高速運動下的物體，唯獨牛頓的萬有引力理論無法在狹義相對論的框架體系下改寫，這直接導致愛因斯坦擴展其狹義相對論，而得到了廣義相對論。

1911年，他發現引力場中歐氏幾何并不嚴格有效。同時還發現洛倫茲變化不是普遍的，等效原理只對無限小區域有效……這時的愛因斯坦已經有了廣義相對論的思想，但他還缺乏建立它所必需的數學基礎。

次年，他在黎曼幾何和張量分析中找到了建立廣義相對論的數學工具。

1913年，他和數學家格羅斯曼合作發表了《廣義相對論綱要和引力理論》，提出了引力的度規場理論，首次把引力和度規結合起來，使黎曼幾何獲得實在的物理意義。

不過它們當時得到的引力場方程只對線性變換是協變的，還不具有廣義相對論原理所要求的任意坐標變換下的協變性。

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變的引力場方程，但加了一個不必要的限制。1915年11月25日，在《引力的場方程》中，他放棄了對變換群的不必要限制，建立了真正普遍協變的引力場方程，宣告廣義相對論作為一種邏輯結構終于完成了。

1917年，愛因斯坦用廣義相對論的結果來研究宇宙的時空結構，發表了開創性的論文《根據廣義相對論對宇宙所做的考察》。論文分析了“宇宙在空間上是無限的”這一傳統觀念，指出它同牛頓引力理論和廣義相對論都是不協調的。他認為，唯一可能的解決辦法是把宇宙看作是一個具有有限空間體積的自身閉合的連續區，以科學論據推論宇宙在空間上是有限無邊的。

1937年，在兩個助手合作下，他從廣義相對論的引力場方程推導出運動方程，進一步揭示了空間——時間、物質、運動之間的統一性，這是廣義相對論的重大發展，也是愛因斯坦取得的最后一個重大成果。

相對論對于現代物理學的發展和現代人類思想的發展都有巨大的影響。

首先，相對論從邏輯思想上統一了經典物理學，使經典物理學成為一個完美的科學體系。

狹義相對論在狹義相對性原理的基礎上統一了牛頓力學和麥克斯韋電動力學兩個體系，指出他們都服從狹義相對性原理，都是對洛倫茲變換協變的，牛頓力學只不過是物體在低速運動下很好的近似規律。

廣義相對論又在廣義協變的基礎上，通過等效原理，建立了局域慣性長于普遍參照系數之間的關系，得到了所有物理規律的廣義協變形式，并建立了廣義協變的引力理論，而牛頓引力理論知識它的一級近似。

愛因斯坦

這就從根本上解決了以前物理學只限于慣性系數的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對論嚴格地考察了時間、空間、物質和運動這些物理學的基本概念，給出了科學而系統的時空觀和物質觀，從而使物理學的邏輯上成為完美的科學體系。

其次，開啟了微觀粒子世界的研究，為原子時代和航空時代的到來奠定了理論基礎。

狹義相對論給出了物體在高速運動下的運動規律，并提示了質量與能量相當，給出了質能關系式。這兩項成果對低速運動的宏觀物體并不明顯，但在研究微觀粒子時卻顯示了極端的重要性。因為微觀粒子的運動速度一般都比較快，有的接近甚至達到光速，所以粒子的物理學離不開相對論。質能關系式不僅為量子理論的建立和發展創造了必要的條件，而且為原子核物理學的發展和應用提供了根據。

廣義相對論建立了完善的引力理論，而引力理論主要涉及的是天體。到現在，相對論宇宙學進一步發展，而引力波物理、致密天體物理和黑洞物理這些屬于相對論天體物理學的分支學科都有一定的進展，吸引了許多科學家進行研究。

1955年，愛因斯坦逝世，一位法國物理學家給出這樣的評論：在我們這一時代的物理學家中，愛因斯坦將位于最前列。他現在是、將來也還是人類宇宙中最有光輝的巨星之一。