內容提要
相對論的意義目錄
原出版者說明
版本說明
第五版說明
相對論前物理學中的空間與時間
狹義相對論
廣義相對論
廣義相對論(續)
第二版附錄
附錄二 非對稱場的相對論性理論
正文
狹義相對論和廣義相對論建立以來，已經過去了很長時間，它經受住了實踐和歷史的考驗，是人們普遍承認的真理。相對論對於現代物理學的發展和現代人類思想的發展都有巨大的影響。 相對論從邏輯思想上統一了經典物理學，使經典物理學成為一個完美的科學體系。狹義相對論在狹義相對性原理的基礎上統一了牛頓力學和麥克斯韋電動力學兩個體系，指出它們都服從狹義相對性原理，都是對洛倫茲變換協變的，牛頓力學只不過是物體在低速運動下很好的近似規律。廣義相對論又在廣義協變的基礎上，通過等效原理，建立了局域慣性長與普遍參照係數之間的關係，得到了所有物理規律的廣義協變形式，並建立了廣義協變的引力理論，而牛頓引力理論只是它的一級近似。這就從根本上解決了以前物理學只限於慣性係數的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對論嚴格地考察了時間、空間、物質和運動這些物理學的基本概念，給出了科學而系統的時空觀和物質觀，從而使物理學在邏輯上成為完美的科學體系。
狹義相對論給出了物體在高速運動下的運動規律，並提示了質量與能量相當，給出了質能關係式。這兩項成果對低速運動的巨觀物體並不明顯，但在研究微觀粒子時卻顯示了極端的重要性。因為微觀粒子的運動速度一般都比較快，有的接近甚至達到光速，所以粒子的物理學離不開相對論。質能關係式不僅為量子理論的建立和發展創造了必要的條件，而且為原子核物理學的發展和套用提供了根據。
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。到現在，相對論宇宙學進一步發展，而引力波物理、緻密天體物理和黑洞物理這些屬於相對論天體物理學的分支學科都有一定的進展，吸引了許多科學家進行研究。
一位法國物理學家曾經這樣評價愛因斯坦：“在我們這一時代的物理學家中，愛因斯坦將位於最前列。他現在是、將來也還是人類宇宙中最有光輝的巨星之一”，“按照我的看法，他也許比牛頓更偉大，因為他對於科學的貢獻，更加深入地進入了人類思想基本要領的結構中。”
相對論是關於時空和引力的基本理論，主要由愛因斯坦(Albert Einstein)創立，分為狹義相對論(特殊相對論)和廣義相對論(一般相對論)。相對論的基本假設是光速不變原理，相對性原理和等效原理。相對論和量子力學是現代物理學的兩大基本支柱。奠定了經典物理學基礎的經典力學，不適用於高速運動的物體和微觀條件下的物體。相對論解決了高速運動問題；量子力學解決了微觀亞原子條件下的問題。相對論極大的改變了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“同時的相對性”，“四維時空”“彎曲空間”等全新的概念。
狹義相對論，是只限於討論慣性系情況的相對論。牛頓時空觀認為空間是平直的、各向同性的和各點同性的的三維空間——絕對空間，時間是獨立於空間的單獨一維（因而也是絕對的），即絕對時空觀。狹義相對論認為空間和時間並不相互獨立，而是一個統一的四維時空整體，並不存在絕對的空間和時間。在狹義相對論中，整個時空仍然是平直的、各向同性的和各點同性的，這是一種對應於“全局慣性系”的理想狀況。狹義相對論將真空中光速為常數作為基本假設，結合狹義相對性原理和上述時空的性質可以推出洛侖茲變換。
廣義相對論是愛因斯坦在1915年發表的理論。愛因斯坦提出“等效原理”，即引力和慣性力是等效的。這一原理建立在引力質量與慣性質量的等價性上(目前實驗證實,在10 − 12的精確度範圍內,仍沒有看到引力質量與慣性質量的差別)。根據等效原理，愛因斯坦把狹義相對性原理推廣為廣義相對性原理，即物理定律的形式在一切參考系都是不變的。物體的運動方程即該參考系中的測地線方程。測地線方程與物體自身故有性質無關，只取決於時空局域幾何性質。而引力正是時空局域幾何性質的表現。物質質量的存在會造成時空的彎曲，在彎曲的時空中，物體仍然順著最短距離進行運動(即沿著測地線運動——在歐氏空間中即是直線運動)，如地球在太陽造成的彎曲時空中的測地線運動，實際是繞著太陽轉，造成引力作用效應。正如在彎曲的地球表面上，如果以直線運動，實際是繞著地球表面的大圓走。
倒相對論：相對論的提出，同樣受到很多的指責，有很多人認為它是錯誤的，並大大阻礙了社會的發展。然而這種觀點並不被主流科學界所接受。
愛因斯坦和他的相對論
除了量子理論以外，1905年剛剛得到博士學位的愛因斯坦發表的一篇題為《論動體的電動力學》的文章引發了二十世紀物理學的另一場革命。文章研究的是物體的運動對光學現象的影響，這是當時經典物理學面對的另一個難題。
十九世紀中葉，麥克斯韋建立了電磁場理論，並預言了以光速C傳播的電磁波的存在。到十九世紀末，實驗完全證實了麥克斯韋理論。電磁波是什麼？它的傳播速度C是對誰而言的呢？當時流行的看法是整個宇宙空間充滿一種特殊物質叫做“以太”，電磁波是以太振動的傳播。但人們發現，這是一個充滿矛盾的理論。如果認為地球是在一個靜止的以太中運動，那么根據速度迭加原理，在地球上沿不同方向傳播的光的速度必定不一樣，但是實驗否定了這個結論。如果認為以太被地球帶著走，又明顯與天文學上的一些觀測結果不符。
1887年麥可遜和莫雷利用光的干涉現象進行了非常精確的測量，仍沒有發現地球有相對於以太的任何運動。對此，洛侖茲(H．A．Lorentz)提出了一個假設，認為一切在以太中運動的物體都要沿運動方向收縮。由此他證明了，即使地球相對以太有運動，麥可遜也不可能發現它。愛因斯坦從完全不同的思路研究了這一問題。他指出，只要摒棄牛頓所確立的絕對空間和絕對時間的概念，一切困難都可以解決，根本不需要什麼以太。
愛因斯坦提出了兩條基本原理作為討論運動物體光學現象的基礎。第一個叫做相對性原理。它是說：如果坐標系K'相對於坐標系K作勻速運動而沒有轉動，則相對於這兩個坐標系所做的任何物理實驗，都不可能區分哪個是坐標系K，哪個是坐標系K′。第二個原理叫光速不變原理，它是說光（在真空中）的速度c是恆定的，它不依賴於發光物體的運動速度。
從表面上看，光速不變似乎與相對性原理衝突。因為按照經典力學速度的合成法則，對於K′和K這兩個做相對勻速運動的坐標系，光速應該不一樣。愛因斯坦認為，要承認這兩個原理沒有牴觸，就必須重新分析時間與空間的物理概念。
經典力學中的速度合成法則實際依賴於如下兩個假設：1．兩個事件發生的時間間隔與測量時間所用的鐘的運動狀態沒有關係；2．兩點的空間距離與測量距離所用的尺的運動狀態無關。愛因斯坦發現，如果承認光速不變原理與相對性原理是相容的，那么這兩條假設都必須摒棄。這時，對一個鍾是同時發生的事件，對另一個鐘不一定是同時的，同時性有了相對性。在兩個有相對運動的坐標系中，測量兩個特定點之間的距離得到的數值不再相等。距離也有了相對性。
如果設K坐標系中一個事件可以用三個空間坐標x、y、z和一個時間坐標t來確定，而K′坐標系中同一個事件由x′、y′、z′和t′來確定，則愛因斯坦發現，x′、y′、z′和t′可以通過一組方程由x、y、z和t求出來。兩個坐標系的相對運動速度和光速c是方程的唯一參數。這個方程最早是由洛侖茲得到的，所以稱為洛侖茲變換。
利用洛侖茲變換很容易證明，鍾會因為運動而變慢，尺在運動時要比靜止時短，速度的相加滿足一個新的法則。相對性原理也被表達為一個明確的數學條件，即在洛侖茲變換下，帶撇的空時變數x'、y'、z'、t'將代替空時變數x、y、z、t，而任何自然定律的表達式仍取與原來完全相同的形式。人們稱之為普遍的自然定律對於洛侖茲變換是協變的。這一點在我們探索普遍的自然定律方面具有非常重要的作用。
此外，在經典物理學中，時間是絕對的。它一直充當著不同於三個空間坐標的獨立角色。愛因斯坦的相對論把時間與空間聯繫起來了。認為物理的現實世界是各個事件組成的，每個事件由四個數來描述。這四個數就是它的時空坐標t和x、y、z，它們構成一個四維的連續空間，通常稱為閔可夫斯基四維空間。在相對論中，用四維方式來考察物理的現實世界是很自然的。狹義相對論導致的另一個重要的結果是關於質量和能量的關係。在愛因斯坦以前，物理學家一直認為質量和能量是截然不同的，它們是分別守恆的量。愛因斯坦發現，在相對論中質量與能量密不可分，兩個守恆定律結合為一個定律。他給出了一個著名的質量-能量公式：E=mc2，其中c為光速。於是質量可以看作是它的能量的量度。計算表明，微小的質量蘊涵著巨大的能量。這個奇妙的公式為人類獲取巨大的能量，製造核子彈和氫彈以及利用原子能發電等奠定了理論基礎。
對愛因斯坦引入的這些全新的概念，大部分物理學家，其中包括相對論變換關係的奠基人洛侖茲，都覺得難以接受。舊的思想方法的障礙，使這一新的物理理論直到一代人之後才為廣大物理學家所熟悉，就連瑞典皇家科學院，1922年把諾貝爾獎金授予愛因斯坦時，也只是說“由於他對理論物理學的貢獻，更由於他發現了光電效應的定律。”對於相對論隻字未提。
愛因斯坦於1915年進一步建立起了廣義相對論。狹義相對性原理還僅限於兩個相對做勻速運動的坐標系，而在廣義相對論性原理中勻速運動這個限制被取消了。他引入了一個等效原理，認為我們不可能區分引力效應和非勻速運動，即非勻速運動和引力是等效的。他進而分析了光線在靠近一個行量附近穿過時會受到引力而彎折的現象，認為引力的概念本身完全不必要。可以認為行星的質量使它附近的空間變成彎曲，光線走的是最短程線。基於這些討論，愛因斯坦導出了一組方程，它們可以確定由物質的存在而產生的彎曲空間幾何。利用這個方程，愛因斯坦計算了水星近日點的位移量，與實驗觀測值完全一致，解決了一個長期解釋不了的困難問題，這使愛因斯坦激動不已。他在寫給埃倫菲斯特的信中這樣寫道：“……方程給出了近日點的正確數值，你可以想像我有多高興！有好幾天，我高興得不知怎樣才好。”
1915年11月25日，愛因斯坦把題為“萬有引力方程”的論文提交給了柏林的普魯士科學院，完整地論述了廣義相對論。在這篇文章中他不僅解釋了天文觀測中發現的水星軌道近日點移動之謎，而且還預言：星光經過太陽會發生偏折，偏折角度相當於牛頓理論所預言的數值的兩倍。第一次世界大戰延誤了對這個數值的測定。1919年5月25日的日全食給人們提供了大戰後的第一次觀測機會。英國人愛丁頓奔赴非洲西海岸的普林西比島，進行了這一觀測。11月6日，湯姆遜在英國皇家學會和皇家天文學會聯席會議上鄭重宣布：得到證實的是愛因斯坦而不是牛頓所預言的結果。他稱讚道“這是人類思想史上最偉大的成就之一。愛因斯坦發現的不是一個小島，而是整整一個科學思想的新大陸。”泰晤士報以“科學上的革命”為題對這一重大新聞做了報導。訊息傳遍全世界，愛因斯坦成了舉世矚目的名人。廣義相對論也被提高到神話般受人敬仰的寶座。
從那時以來，人們對廣義相對論的實驗檢驗表現出越來越濃厚的興趣。但由於太陽系內部引力場非常弱，引力效應本身就非常小，廣義相對論的理論結果與牛頓引力理論的偏離很小，觀測非常困難。七十年代以來，由於射電天文學的進展，觀測的距離遠遠突破了?
