文/全歷史 一口

1905年6月，愛因斯坦發(fā)表《論運(yùn)體的電動力學(xué)》，完整地提出了狹義相對論理論。1916年，《廣義相對論的基礎(chǔ)》發(fā)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(gòu)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(xiàn)象，廣義相對論則討論了有引力作用時的物理現(xiàn)象，適用于天體物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域。

相對論改變了20世紀(jì)的理論物理學(xué)和天文學(xué)，取代了牛頓創(chuàng)立的經(jīng)典力學(xué)體系和時空觀念，和量子力學(xué)一起奠定了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。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(jù)廣義相對論，由于有物質(zhì)的存在，物質(zhì)和時間（時空）會發(fā)生彎曲，時空彎曲的是質(zhì)量（能量）造成的結(jié)果，萬有引力是時空彎曲的表現(xiàn)

廣義和狹義相對論的具體內(nèi)容到底是什么呢？

首先，狹義相對論是關(guān)于時空結(jié)構(gòu)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(shè)：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(yùn)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(shù)，且與光源的運(yùn)動無關(guān)。

愛因斯坦在這里表達(dá)的主要觀點(diǎn)是，時間和空間并不是相互獨(dú)立的，而是緊密聯(lián)系的一個整體，即時空統(tǒng)一的觀念。時間流速和物體運(yùn)動的速度有關(guān)，物體在高速運(yùn)動時會產(chǎn)生時間膨脹和尺縮效應(yīng)。前者是指一個物體相對于一個慣性參考系作高速運(yùn)動，它的時間會發(fā)生膨脹，大概可以理解成它的一秒相當(dāng)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(yùn)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(zhì)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(zhì)量越大引發(fā)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(xué)效應(yīng)是局部不可分辨的；廣義相對性原理，即“任意非慣性坐標(biāo)系中的物理規(guī)律等同于受到等效引力的坐標(biāo)系中的物理規(guī)律”，物體的慣性質(zhì)量恒等于引力質(zhì)量。

那么，愛因斯坦為何能夠提出相對論呢？

首先，經(jīng)典物理學(xué)理論體系的內(nèi)在邏輯的矛盾性亟待解決。

從根本上說，狹義相對論就是因?yàn)榻?jīng)典物理學(xué)理論體系的內(nèi)在邏輯的不統(tǒng)一性——牛頓力學(xué)與麥克斯韋電動力學(xué)的不統(tǒng)一性而創(chuàng)立的。

這種不統(tǒng)一性是以光的傳播定律與相對性原理在經(jīng)典力學(xué)框架下的矛盾呈現(xiàn)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(shù)，與光源的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)。

如果我們利用伽利略變換（經(jīng)典力學(xué)中轉(zhuǎn)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(xué)方程式從一個座標(biāo)系轉(zhuǎn)換到另一個座標(biāo)系中，卻會發(fā)現(xiàn)光速改變了。

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

麥克斯韋方程式在許多實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)良好，不但預(yù)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(zhuǎn)換則是經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)。

在20世紀(jì)初，這一問題困擾著許多物理學(xué)家，這兩個方程式任何一者出了錯，對于物理界都是災(zāi)難。

麥克斯韋是經(jīng)典電動力學(xué)創(chuàng)始人，其著作《論電和磁》被認(rèn)為是繼牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》之后最重要的物理學(xué)經(jīng)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(biāo)系B相對于坐標(biāo)系A(chǔ)作勻速運(yùn)動而無轉(zhuǎn)動，那么自然現(xiàn)象相對于坐標(biāo)系B的發(fā)展所遵循的普遍定律將與相對于坐標(biāo)系A(chǔ)相同。 所有慣性坐標(biāo)系滿足完全相同的物理規(guī)律，它們之間都是對等的，沒有哪個是特殊的。它們之間的運(yùn)動是相對的而非絕對的。

1905年，愛因斯坦發(fā)表了他關(guān)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(guān)嗎？》作為狹義相對論的一個推論。質(zhì)能相當(dāng)性是原子核物理學(xué)和粒子物理學(xué)的理論基礎(chǔ)，為20世紀(jì)40年代實(shí)現(xiàn)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(jīng)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(fā)現(xiàn)的引力場中一切物體都具有同一加速度這一古老實(shí)驗(yàn)事實(shí)找到了突破口，于1907年提出了等效原理。

本質(zhì)上，所有的物理學(xué)問題都涉及采用哪個時空觀的問題。在二十世紀(jì)以前的經(jīng)典物理學(xué)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(dǎo)致人們必須依相對論的要求對經(jīng)典物理學(xué)的公式進(jìn)行改寫，以使其具有相對論所要求的洛倫茲協(xié)變性而不是以往的伽利略協(xié)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(biāo)系，和相對于地面速度V的坐標(biāo)系中，同一束光的速度不可能相同；后者是指如果時空結(jié)構(gòu)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(jīng)典理論物理的三大領(lǐng)域，電動力學(xué)本身就是洛倫茲協(xié)變的，無需改寫；統(tǒng)計力學(xué)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(jīng)典力學(xué)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(yùn)動下的物體，唯獨(dú)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(dǎo)致愛因斯坦擴(kuò)展其狹義相對論，而得到了廣義相對論。

1911年，他發(fā)現(xiàn)引力場中歐氏幾何并不嚴(yán)格有效。同時還發(fā)現(xiàn)洛倫茲變化不是普遍的，等效原理只對無限小區(qū)域有效……這時的愛因斯坦已經(jīng)有了廣義相對論的思想，但他還缺乏建立它所必需的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

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(shù)學(xué)工具。

1913年，他和數(shù)學(xué)家格羅斯曼合作發(fā)表了《廣義相對論綱要和引力理論》，提出了引力的度規(guī)場理論，首次把引力和度規(guī)結(jié)合起來，使黎曼幾何獲得實(shí)在的物理意義。

不過它們當(dāng)時得到的引力場方程只對線性變換是協(xié)變的，還不具有廣義相對論原理所要求的任意坐標(biāo)變換下的協(xié)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(xié)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(xié)變的引力場方程，宣告廣義相對論作為一種邏輯結(jié)構(gòu)終于完成了。

1917年，愛因斯坦用廣義相對論的結(jié)果來研究宇宙的時空結(jié)構(gòu)，發(fā)表了開創(chuàng)性的論文《根據(jù)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(tǒng)觀念，指出它同牛頓引力理論和廣義相對論都是不協(xié)調(diào)的。他認(rèn)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(xù)區(qū)，以科學(xué)論據(jù)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(dǎo)出運(yùn)動方程，進(jìn)一步揭示了空間——時間、物質(zhì)、運(yùn)動之間的統(tǒng)一性，這是廣義相對論的重大發(fā)展，也是愛因斯坦取得的最后一個重大成果。

相對論對于現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展和現(xiàn)代人類思想的發(fā)展都有巨大的影響。

首先，相對論從邏輯思想上統(tǒng)一了經(jīng)典物理學(xué)，使經(jīng)典物理學(xué)成為一個完美的科學(xué)體系。

狹義相對論在狹義相對性原理的基礎(chǔ)上統(tǒng)一了牛頓力學(xué)和麥克斯韋電動力學(xué)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(xié)變的，牛頓力學(xué)只不過是物體在低速運(yùn)動下很好的近似規(guī)律。

廣義相對論又在廣義協(xié)變的基礎(chǔ)上，通過等效原理，建立了局域慣性長于普遍參照系數(shù)之間的關(guān)系，得到了所有物理規(guī)律的廣義協(xié)變形式，并建立了廣義協(xié)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(xué)只限于慣性系數(shù)的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對論嚴(yán)格地考察了時間、空間、物質(zhì)和運(yùn)動這些物理學(xué)的基本概念，給出了科學(xué)而系統(tǒng)的時空觀和物質(zhì)觀，從而使物理學(xué)的邏輯上成為完美的科學(xué)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(chǔ)。

狹義相對論給出了物體在高速運(yùn)動下的運(yùn)動規(guī)律，并提示了質(zhì)量與能量相當(dāng)，給出了質(zhì)能關(guān)系式。這兩項(xiàng)成果對低速運(yùn)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?yàn)槲⒂^粒子的運(yùn)動速度一般都比較快，有的接近甚至達(dá)到光速，所以粒子的物理學(xué)離不開相對論。質(zhì)能關(guān)系式不僅為量子理論的建立和發(fā)展創(chuàng)造了必要的條件，而且為原子核物理學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用提供了根據(jù)。

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(xiàn)在，相對論宇宙學(xué)進(jìn)一步發(fā)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(xué)的分支學(xué)科都有一定的進(jìn)展，吸引了許多科學(xué)家進(jìn)行研究。

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