第48章 《狭义与广义相对论浅说》：现代自然科学的基础作之一

〔德国〕爱因斯坦著

“作者简介”

爱因斯坦（1879～1955）生于德国乌尔姆的一个犹太人家庭。1896年退出德国国籍，到比较自由的瑞士接受中学和大学教育。1901年取得瑞士国籍，1902年被聘为瑞士伯尔尼专利局的技术员，从事专利审查工作。

通过阅读康德与马赫等人的哲学著作，年轻的爱因斯坦培养了敢于怀疑勇于批判的精神。面对被专业科学家看作是“最神圣的遗产的牛顿权威，他能够清醒地认识：如果它们不能被证明为充分合法，它们就将被抛弃；如果它们同所给定的东西之间的对应过于松懈，它们就将被修改；如果能建立一个新的、由于无论哪种理由都被认为是优越的体系，那么这些概念就会被别的概念所代替。”

于是，在短暂的“削足适履”之后，年仅26岁的爱因斯坦毅然放弃了牛顿的绝对时空观，创作并发表了他的《论动体的电动力学》，建立起崭新观念的狭义相对论。

“内容精要”

爱因斯坦首先指出，既然麦克斯韦电动力学的种种实验都没有证明以太的存在，那就应该放弃这种“绝对静止”的参考系；既然在所有惯性系中所有方向上都测不出光源运动对光速有什么影响，那就可以接受光速恒定的这个新事实。所以，他把两个基本原理作为狭义相对论的基础。

（1）相对性原理：物理学定律在所有惯性系中是相同的，不存在一种特殊的惯性系。

（2）光速不变原理：在所有惯性系内，真空中光的速度具有相同的值。

从这两个基本原理出发，很自然就推出了惯性系中新的变换关系，称洛仑兹变换。利用新的变换关系，爱因斯坦得出了狭义相对论的几个重要推论：

（1）同时性是相对的。

（2）运动着的尺子要缩短。

（3）运动着的时钟会变慢。

（4）运动中的物体的质量会变大。

（5）在任何惯性系中，物体的运动速度都不能超过光速，亦即光速是物质运动的极限速度。

（6）物体的质量是该物体所含能量的量度。这就是著名的质能关系式：E=mc2（E表示能量，m表示质量，c为光速）。

狭义相对论的建立，从根本上改造了经典物理学。它突破了牛顿的绝对时空观，把空间、时间和物质的运动联系了起来。狭义相对论还揭示了时间与空间的统一性，从而得出许多经典物理学中意料不到的、也无法得到的结论。世纪之交所出现的物理学危机也就化险为夷了。

狭义相对论圆满解决了许多物理学的问题之后，爱因斯坦仍不满足。他又看到了新理论的局限性。因为狭义相对论的相对性原理还是限制在相对做匀速运动的惯性系里。否定了静止的以太作为特殊的坐标系，这是一大进步，但为什么惯性系在物理学中还是比其他坐标系都特殊与优越？爱因斯坦尖锐地意识到这是“认识论上的缺陷”。所以，他不顾朋友的劝告，仍然孤军深入，单独从事相对论的研究，继续探求一种更普遍的更和谐的物理理论。

爱因斯坦从引力问题入手，并抓住了一个简单的却又是耐人寻味的事实，这就是：物质有两种质量，一是牛顿第二定律中的惯性质量，二是万有引力定律中的引力质量。实验告诉人们，一切自由落体在引力的作用下都具有同样的加速度，由此可以推算，引力质量与惯性质量是相等的。爱因斯坦以此作为突破口，在两种质量相等的基础上，大胆地提出了著名的等效原理：一个加速度为a的非惯性系，等效于含有均匀引力场的惯性系。换句话说，一个加速度系统所看到的运动与存在引力场的惯性系统所看到的运动完全相同。爱因斯坦还以特殊的“空中电梯实验”来说明这一等效原理。发现“等效原理”，被爱因斯坦认为是他一生中最愉快的事情。在此原理的基础上，他终于得出了令人满意的“广义协变原理”：在任何参照系中，物理学规律的数学形式是相同的。就这样，他把相对性原理从惯性系推广到非惯性系，在狭义相对论的基础上建立起广义相对论。

“学术评价”

1916年，广义相对论的总结性论文及著作相继发表，但只有少数科学家才能理解其中深刻的意义。1919年，广义相对论所预言的光线经越太阳表面时要弯曲偏转1.7弧秒，被日全食的观测数值所证实，广义相对论立即引起了社会的轰动。如果没有爱因斯坦这些建立了狭义与广义相对论的文章以及著作，物理学家恐怕还在20世纪初的物理学困境中徘徊不前。爱因斯坦的著作是突破性的洞明，是人类思想史上的飞跃。