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物理理论有很多种。大多数理论是建构式（constructive），用相当简单的方程式作为出发点，藉以建立复杂现象的图像。例如，气体动力学理论目标是用分子的运动来解释物质的机械性质、热学，以及扩散现象。当我们说了解一系列自然现象时，代表的是能用一建构式理论来描述这些现象与过程。 气体动力学理论目标是用分子的运动来解释物质的机械性质、热学，以及扩散现象。 除了这一类重要的理论之外，存在第二类我称为「原理式理论」（principle-theories）者。这种理论采用的是分析而非综合的作法。它们的出发点并不是假设的原理，而是靠经验而发现的自然律，进而成为自然过程或其理论表象所必须满足的数学方程式。例如在热力学中，从「永动机不可能」这点由经验得来的自然律作为出发点，再以分析的方法推导出热学现象必须满足的基本条件。 建构式理论的优点是它的完整性、灵活度，以及清晰的条理。原理式理论的优点在于其逻辑的完美以及基础的可靠性。 相对论属于原理式理论，想要了解其本质，我们必须了解其所根据的基本原理。在开始解释之前，我必须先说相对论是由两部分所组成：狭义相对论和广义相对论。狭义相对论不但是广义相对论的基础，也适用于除了重力现象之外的所有物理现象。广义相对论则描述重力以及重力与其他自然力的交互作用。 古代希腊人就知道，要描述物体的运动必须要有另一个物体作为基准。车子的运动必须相对地球表面才有意义，而行星运动则必须相对于远方的恒星才有意义。在物理学当中，事件与运动的测量基准称为坐标系。牛顿和伽利略的力学，只有在坐标系的辅助下才能公式化。 牛顿和伽利略的力学，只有在坐标系的辅助下才能公式化。 力学原理并不是在所有的坐标系下都成立。坐标系本身不能旋转或是加速，我们熟悉的力学定律才会成立，而这种坐标系称为惯性坐标系。惯性坐标系的运动状态，并不是唯一的。根据力学原理，所有与某惯性坐标系进行等速直线运动的坐标系，也都是惯性坐标系。「狭义相对论原理」将此原理从力学推广到所有的自然现象，换句话说，若坐标系 C’ 相对坐标系 C 进行等速运动，则任何在系统 C 成立的自然律，在 C’ 也必定成立。 狭义相对论所根据的第二个原理，是「真空光速的恒定」。不论观测者或光源的运动状态，在真空中光线的行进速度都是恒定的。物理学家对于此原理的信心来自马克士威电磁学与洛伦兹理论的成功。 这两个原理都获得经验强力的支持，但在表面上似乎互相矛盾。狭义相对论靠着修正运动学，也就是时空概念的物理学，才成功地将两个原理纳入单一逻辑架构。于是，两个事件是否同时发生必须先指定参考坐标系才有意义，而且量尺的长度与时钟速率会与坐标系相对速度有关。 然而，伽利略与牛顿的古典物理，与新的相对论动力学无法结合。如果上述两个基本原理成立的话，自然定律必须遵守一套数学条件，因此物理学必须接受修正。例如，高速运动的质点必须满足新的物理定律，而在带电基本粒子的实验中，这些现象已经确认。狭义相对论最重要的结论，是关于粒子系统静止质量，我们发现系统的惯性与能量有关，于是我们可以推论，静质量不过是潜能量的表现罢了。质量守恒定律不再独立存在，而必须与能量守恒结合才会成立。 狭义相对论原来是马克士威与洛伦兹电动力学的系统发展，不过已经暗示著新的推广。物理定律的一贯性，是否仅限于等速直线相对运动的坐标系统？自然界为什么要管我们选用什么运动状态的坐标系？如果只是为了描述物理律方便而选择坐标系统，其运动状态不应有任何限制才对。自然律应该完全与坐标选择无关（广义相对性原理）。 广义相对性原理的成立，可从一个大家熟知的经验得知。这就是物体的重量与惯性是由同一个参数所控制（惯性质量与重力质量的等效），想像一个相对于惯性系统等速旋转（牛顿力学定义）的坐标系，它所感受的离心力应该被看为是惯性的表现，至少根据牛顿力学是如此。然而，离心力也和物体质量成正比，这和重力殊无二致，我们为什么不能把这坐标系视为静止，而将离心力视为重力呢？这显而易见的道理，却不容于古典力学。 以上简单的讨论显示，广义相对论必须提供重力理论，仔细分析探讨之后，更加强化这一期待。不过，理论的实际发展过程比想像困难许多，因为我们不得不放弃欧几里得几何学。换句话说，物体在空间中的运动定律，将不受欧氏几何学规范。这就是我们所谓「弯曲空间」的意义，「直线」、「平面」等熟悉概念，在物理学中会失去原来的特殊地位。 统御时间空间与运动学的广义相对论，无法与其他物理学分割，物体的几何性质与时钟速率，会受重力场所影响，而重力场本身又是由物质分布所决定。 物体的几何性质与时钟速率，会受重力场所影响，而重力场本身又是由物质分布所决定。 新的重力理论与牛顿理论相去甚远，不过两个理论的预测在实验上却十分接近，因此日常经验无法分辨它们。能够区分两个理论的现象有： 一、行星椭圆轨道的旋转（在水星轨道已获证实）。 二、受重力场影响的光线弯曲（由英国科学家所摄得的日食照片所证实）。 三、大质量恒星光谱线的红位移现象（未证实）。 这个理论最吸引人的地方，在于逻辑的完备性。它预测的结论只要有一个是错的，那么整个理论就必须放弃。在不完全摧毁架构的前提下进行修正，几乎是不可能的事。 大家不用觉得牛顿的古典力学会完全被这个理论取代。他所奠定的方法、获得的成果，是如此清楚伟大，将永远在自然哲学中享有不可取代的地位。 |
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