代序 什么是相对论？^[5]

时间、空间和万有引力

我非常高兴《泰晤士报》能给我这样一个机会，让我写一点我的相对论。我已经跟学术界的人士断绝联系有很长时间了，现在有这样一个机会，这令我很感动。借此机会，我要对英国天文学家和物理学家表示感激。

战争时期，你们国家的一些著名科学家为了验证一个在敌国完成并发表的理论，甘愿耗费很多的时间和精力，而且你们国家的科学事业单位还会付诸大量金钱支持，这完全是由你们国家在科学工作方面伟大而光荣的传统决定的。虽然太阳引起光线的弯曲是一件客观存在的事实，但对我的英国同行们，我还是要表示我最衷心的感谢。因为如果不是他们进行了那次探测工作，我估计在我在世的时间里，我很难看到我的理论中最重要的部分得以证明。物理学的理论分为很多种，其中最多的就是构造性。这种构造性从最简单的形式体系开始，为比较复杂的现象描绘一幅图像。气体分子运动论就是最好的例证，它认为机械的、热的和扩散的过程都是因为分子运动的结果。当我们认为，我们已经成功地把一大堆自然过程了解得很清楚了，那么我们也就是在说：已经建立了概括这些过程的构造性理论。

另外，还有一类重要的理论，这就是“原理理论”。这种理论不使用综合法，而采用分析法。它们是从经验中发现自己的基础和出发点的，没有采用假说构造。它们是一类原理，也是自然过程的普遍特征。这些原理还必须依据数学形式，才能给出各个过程或者它们的理论表述方式。热力学正是做了这项工作，它利用分析方法，从不能存在的永动机出发，导出了满足各个事件成为可能的必然条件。

构造性理论和原理理论各有特点。前者在解释事件时，完备、适应性强而且明确；而后者逻辑完整，基础扎实。相对论正是属于原理理论范畴。

要了解相对论的本性，首先必须要弄清楚它所根据的原理是什么。在我具体讲相对论之前，我必须先告诉大家，相对论具有相反的两大块儿，有点像一座两层的建筑，即狭义相对论和广义相对论。狭义相对论是广义相对论的基础，几乎适用于一切物理现象，但要把引力排除在外；而广义相对论则正好拓展了狭义相对论，提出了一种引力定律，还指出了它与自然界其他力的关系。

从古希腊时代起，我们就知道：要描述一个物体的运动，不能单独地描述它，必须得借助一个参照物，这就需要我们找到适合做参照物的另外一个物体。描述一辆车的运动状况，需要以地面做参照物；而描述一颗行星的运动，那就需要以所有可见恒星为参照。在物理学中，能在空间上为一个事件做参照的事物就是坐标系。如果没有坐标系，伽利略和牛顿的力学定律是没有办法用公式表示出来的。

为了使力学定律有效，对坐标系的选择必须慎重，即要求它必须没有转动和加速度。在力学中，一般把这种坐标系叫“惯性系”。力学认为，自然界不是惯性系的运动状态唯一的决定因素。我们还需要知道这样一条定理：如果一个坐标系对一个惯性系做匀速直线运动，那么这个坐标系也一定是一个惯性系。“狭义相对性原理”正是推广了这个定理，把所有的自然界事件都包含在内了，也就是说：自然界的那些普遍规律，只要对坐标系C适用，那么对相对于C做匀速平移运动的坐标系C'来说，同样适用。

除此之外，狭义相对论还有另外一条原理：真空中光速不变原理。这条原理认为：在真空状态下，光的传播速度是恒定不变的，也就是说，在真空中，光速不受观测者的位置和光源的运动状态影响。物理学家都认为这条原理是正确的，因为麦克斯韦和洛伦兹的电动力学已经取得了很大的成就。

尽管有很多强有力的事实和经验为其做后盾，但从逻辑学上看，这两者似乎又是互相矛盾的。狭义相对论正好解决了这个矛盾，把两者在逻辑上做了很好的调和，因为它把经典运动学做了一定的修改，即（从物理学的观点）论述时空规律的学说。比如，除非指明两个事件是对某一坐标系而说，否则就不能说这两个事件是同时发生的；同样，描述一个东西的形状或说时钟运行得快或者慢，都必须把它们相对应的坐标系的运动状态考虑在内。

但旧的经典物理学，包括伽利略和牛顿的运动定律在内，不能解释这样的相对论运动。假如上述两条原理完全适用，那么在相对论运动学中适用的普遍数学条件，与自然规律不能相违背。这些条件在物理学必须是适应的。比如，科学家发现了飞速运动着的质点的新运动定律，这个定律已经被带电粒子的运动情况证实了。狭义相对论中有一个最重要的思想，就是物质体系的惯性质量是怎样确定的：一个体系的惯性质量与它所包含的能量有关。紧接着，我们又得出这样的结论：惯性质量越多，潜在的能量也越多。就这样，质量守恒原理在这里失去了原有的作用，而能量守恒原理在这里突显出来了。

狭义相对论其实在很大程度上是发展了麦克斯韦和洛伦兹电动力学的内容，把他们的理论更加系统地表现出来了，但结果又超出了它的范围。接下来就产生了一系列疑问：难道只有坐标系的相互匀速平移运动才适用“物理定律同坐标系运动状态”定理吗？我们的坐标系及其运动状态同自然界之间的关系到底是怎样的？在我们描述自然界的时候，如果必须引入一个随机抽取的坐标系，那么在选取时，它的运动状态就不能有什么限制条件，也就是：定律就是定律，不受选取的限制（广义相对性原理）。

下面，我来介绍一个早已被认可的经验事实，这样可以帮助我们理解这条广义相对性原理。这个经验就是：同一常数同时对物体的质量和惯性起作用（惯性质量与引力质量相等）。假设有一个坐标系对另一个牛顿惯性系作匀速转动，那么按照牛顿的观点，这个坐标系中产生的离心力就是惯性效应的结果。但事实并不是这样的，因为这些离心力像重力一样与物体的质量成正比。在这种情况下，完全可以认为这个坐标系是静止的，而离心力就是万有引力。但这一观点是经典力学所不容的。

通过以上简略的叙述，我们就明白了，要解释广义相对论，必须提出引力定律。这个想法已经有很多人做了很多工作，我们看到了希望。

不过，这条道路并不是一马平川的，仍然存在很多意想不到的困难，因为它要求我们必须把欧几里得几何放到一边。也就是说，欧几里得几何给出的物体的空间定律，对固体在空间里的可能用到的定律并不完全适合，这就是“空间曲率”。在这种情况下，“直线”“平面”都失去了它们原来的含义。

在广义相对论中，运动学，也就是空间和时间的学说，将会与物理学的其他部分产生密切的关系。物体的几何性状和时钟的运行快慢都会受引力场的作用，而物质本身又影响着引力场。

从原理上来看，新的引力场理论同牛顿的经典理论有很大的不同，但它们的实际结果是很相近的，靠以往的经验想找到它们的区别还是有难度的。截至目前，只有以下几种情况存在依据：

（1）行星绕太阳旋转的轨道是椭圆的（有水星为例，并得到了证实）。

（2）在引力场中，光线会发生弯曲（英国人已在日食中观察到了）。

（3）大质量的星球向地球发出的光线，波长将会红移^[6]（还没有事实可以证明）。

当然要做到证明一个东西是错误的，就马上抛弃它，或者只对它进行修改而不从结构上进行改变，是完全不可能的。

大家要知道，牛顿的伟大工作和理论是整个近代物理学的概念基础，而且没有什么理论能够轻易动摇它，包括我的理论，他的理论在很大层面和时段内都将保有独特的意义。