相对论：颠覆世界的理论

文/全历史 一口

1905年6月，爱因斯坦发表《论运体的电动力学》，完整地提出了狭义相对论理论。1916年，《广义相对论的基础》发表；同年底，爱因斯坦又写了《狭义与广义相对论浅说》。

至此，相对论理论的构建基本完成。

其中，狭义相对论适用于所有没有引力或引力作用可以忽略不计的物理现象，广义相对论则讨论了有引力作用时的物理现象，适用于天体物理学和天文学领域。

相对论改变了20世纪的理论物理学和天文学，取代了牛顿创立的经典力学体系和时空观念，和量子力学一起奠定了现代物理学的基础。它引入的一些概念，如弯曲时空、时空穿越、时间膨胀、多维空间等等，更新了人类对宇宙和自然的常识性观念。

根据广义相对论，由于有物质的存在，物质和时间（时空）会发生弯曲，时空弯曲的是质量（能量）造成的结果，万有引力是时空弯曲的表现

广义和狭义相对论的具体内容到底是什么呢？

首先，狭义相对论是关于时空结构的理论，是对牛顿的绝对时空理论的拓展，它基于两条基本假设：一是狭义相对性原理，即物理定律对于任何惯性参考系（静止或作匀速直线运动的参考系）中的所有观察者都是相同的；二是光速不变原理，即真空中的光速在任何参考系下都是恒定不变的常数，且与光源的运动无关。

爱因斯坦在这里表达的主要观点是，时间和空间并不是相互独立的，而是紧密联系的一个整体，即时空统一的观念。时间流速和物体运动的速度有关，物体在高速运动时会产生时间膨胀和尺缩效应。前者是指一个物体相对于一个惯性参考系作高速运动，它的时间会发生膨胀，大概可以理解成它的一秒相当于惯性参考系的两秒，但它们各自感受到的时间流逝速度是正常的。后者则是指相对于惯性参考系运动的物体，在惯性参考系下看它，它的尺度会变短。

广义相对论则是描述物质间引力相互作用的理论，在这一理论中，爱因斯坦首次把引力场解释成时空的弯曲，一个物体质量越大引发的时空扭曲程度越大。它的两个基本原理是：等效原理，即惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的；广义相对性原理，即“任意非惯性坐标系中的物理规律等同于受到等效引力的坐标系中的物理规律”，物体的惯性质量恒等于引力质量。

那么，爱因斯坦为何能够提出相对论呢？

首先，经典物理学理论体系的内在逻辑的矛盾性亟待解决。

从根本上说，狭义相对论就是因为经典物理学理论体系的内在逻辑的不统一性——牛顿力学与麦克斯韦电动力学的不统一性而创立的。

这种不统一性是以光的传播定律与相对性原理在经典力学框架下的矛盾呈现的。

光的传播定律是说，光在真空中相对于一切惯性系在各方向上的速度都可视作一个常数，与光源的运动状态无关。

如果我们利用伽利略变换（经典力学中转换两个以匀速做相对移动的参考系的方法），将麦克斯韦的电动力学方程式从一个座标系转换到另一个座标系中，却会发现光速改变了。

这样一来切中经典物理学核心——绝对时空观的伽利略变化和电动力学的奠基理论麦克斯韦方程式就发生了冲突。

麦克斯韦方程式在许多实验中表现良好，不但预测了电磁波(光)的存在，而且对于电场磁场的描述也十分正确，而伽利略转换则是经典物理学的基础。

在20世纪初，这一问题困扰着许多物理学家，这两个方程式任何一者出了错，对于物理界都是灾难。

麦克斯韦是经典电动力学创始人，其著作《论电和磁》被认为是继牛顿的《自然哲学的数学原理》之后最重要的物理学经典之一

爱因斯坦选择将光速恒定理论引入狭义相对论，用狭义相对性原理修正伽利略变换。对于狭义相对性原理，爱因斯坦明白地给出了定义：如果一个坐标系B相对于坐标系A作匀速运动而无转动，那么自然现象相对于坐标系B的发展所遵循的普遍定律将与相对于坐标系A相同。 所有惯性坐标系满足完全相同的物理规律，它们之间都是对等的，没有哪个是特殊的。它们之间的运动是相对的而非绝对的。

1905年，爱因斯坦发表了他关于相对论的论文。同年9月，他又写了短文《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》作为狭义相对论的一个推论。质能相当性是原子核物理学和粒子物理学的理论基础，为20世纪40年代实现的核能的释放和利用开辟了道路。

其次，狭义相对论打破了牛顿的经典时空观念，为广义相对论的建立做了铺垫。

狭义相对论建立后，爱因斯坦曾力图把相对性原理的适用范围推广到非惯性系。他从伽利略发现的引力场中一切物体都具有同一加速度这一古老实验事实找到了突破口，于1907年提出了等效原理。

本质上，所有的物理学问题都涉及采用哪个时空观的问题。在二十世纪以前的经典物理学里，人们采用的是牛顿的绝对时空观。而相对论的提出改变了这种时空观，这就导致人们必须依相对论的要求对经典物理学的公式进行改写，以使其具有相对论所要求的洛伦兹协变性而不是以往的伽利略协变性。

在这里，还需要说明一下伽利略变换和洛伦兹变换的含义：前者是指地面坐标系，和相对于地面速度V的坐标系中，同一束光的速度不可能相同；后者是指如果时空结构不是固定不变的，那么就可以做到所有惯性系中的光速都相同。

在经典理论物理的三大领域，电动力学本身就是洛伦兹协变的，无需改写；统计力学有一定的特殊性，但这一特殊性并不带来很多急需解决的原则上的困难；而经典力学大部分都可以成功的改写为相对论形式，以使其可以用来更好的描述高速运动下的物体，唯独牛顿的万有引力理论无法在狭义相对论的框架体系下改写，这直接导致爱因斯坦扩展其狭义相对论，而得到了广义相对论。

1911年，他发现引力场中欧氏几何并不严格有效。同时还发现洛伦兹变化不是普遍的，等效原理只对无限小区域有效……这时的爱因斯坦已经有了广义相对论的思想，但他还缺乏建立它所必需的数学基础。

次年，他在黎曼几何和张量分析中找到了建立广义相对论的数学工具。

1913年，他和数学家格罗斯曼合作发表了《广义相对论纲要和引力理论》，提出了引力的度规场理论，首次把引力和度规结合起来，使黎曼几何获得实在的物理意义。

不过它们当时得到的引力场方程只对线性变换是协变的，还不具有广义相对论原理所要求的任意坐标变换下的协变性。

1915年11月4日，在第一篇论文中他得到了满足守恒定律的普遍协变的引力场方程，但加了一个不必要的限制。1915年11月25日，在《引力的场方程》中，他放弃了对变换群的不必要限制，建立了真正普遍协变的引力场方程，宣告广义相对论作为一种逻辑结构终于完成了。

1917年，爱因斯坦用广义相对论的结果来研究宇宙的时空结构，发表了开创性的论文《根据广义相对论对宇宙所做的考察》。论文分析了“宇宙在空间上是无限的”这一传统观念，指出它同牛顿引力理论和广义相对论都是不协调的。他认为，唯一可能的解决办法是把宇宙看作是一个具有有限空间体积的自身闭合的连续区，以科学论据推论宇宙在空间上是有限无边的。

1937年，在两个助手合作下，他从广义相对论的引力场方程推导出运动方程，进一步揭示了空间——时间、物质、运动之间的统一性，这是广义相对论的重大发展，也是爱因斯坦取得的最后一个重大成果。

相对论对于现代物理学的发展和现代人类思想的发展都有巨大的影响。

首先，相对论从逻辑思想上统一了经典物理学，使经典物理学成为一个完美的科学体系。

狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系，指出他们都服从狭义相对性原理，都是对洛伦兹变换协变的，牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。

广义相对论又在广义协变的基础上，通过等效原理，建立了局域惯性长于普遍参照系数之间的关系，得到了所有物理规律的广义协变形式，并建立了广义协变的引力理论，而牛顿引力理论知识它的一级近似。

爱因斯坦

这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题，从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学的逻辑上成为完美的科学体系。

其次，开启了微观粒子世界的研究，为原子时代和航空时代的到来奠定了理论基础。

狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律，并提示了质量与能量相当，给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显，但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快，有的接近甚至达到光速，所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件，而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。

广义相对论建立了完善的引力理论，而引力理论主要涉及的是天体。到现在，相对论宇宙学进一步发展，而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展，吸引了许多科学家进行研究。

1955年，爱因斯坦逝世，一位法国物理学家给出这样的评论：在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一。