相對論

　　現代物理學的基礎理論之一。分為狹義相對論和廣義相對論。它在本質上是關於空間、時間、物質、運動相互之間關係的一種普遍理論。創立者為著名理論物理學傢A.愛因斯坦。

　　狹義相對論　創建於1905年。愛因斯坦在建立該理論時，首先考慮的是自然界的統一性問題。他發現，在牛頓力學（見I.牛頓）領域中普遍成立的伽利略相對性原理，即力學定律對於任何相互勻速運動著的參照系都是一樣的，也就是一切慣慣性系都是等效的，但它在麥克斯韋電動力學中卻不能成立。他根據M.法拉第電磁感應實驗分析這一事實，認為這種不統一性不是自然界固有的，而是古典物理學基礎有問題。他吸取瞭D.休謨對先驗論、E.馬赫對絕對時空概念的批判成果，從考察兩個在空間上分隔開的事件的“同時性”入手，否定瞭沒有經驗根據的“同時性”的絕對性及其有關的絕對時間概念，從而也否定瞭絕對空間概念以及實質上被當作絕對空間的“以太”的存在。他發現如果以此為基礎，把傳統的空間和時間概念加以適當的修改，上述不統一性就可以消除。於是，他把G.伽利略發現的力學運動的相對性原理適應的范圍加以擴充，使它不僅包括力學定律，而且包括所有的物理定律，並且把它提升為一切物理理論的前提；同時，又把所有“以太漂移”實驗所顯示的光在真空中總是以確定的速度傳播的基本事實，提升為原理。

　　愛因斯坦還發現，要使相對性原理和光速不變原理同時成立，不同的慣性系的空間坐標和時間之間就必須存在一種確定的數學關系，即洛倫茲變換。這是適合於伽利略相對性原理變換的一種推廣。然而，由伽利略變換聯系起來的空間和時間間隔是不變的；而由洛倫茲變換聯系起來的空間和時間間隔則隨著參照系的相對運動速度而變化。運動的尺要縮短，運動的鐘要變慢，但一切物理定律的數學形式卻保持不變，即一切物理定律對於洛倫茲變換是協變的。對伽利略變換不是協變的麥克斯韋方程，對洛倫茲變換是協變的。可是，原來對伽利略變換是協變的牛頓力學定律，現在對洛倫茲變換卻不是協變的，因此必須改造古典物理學的基本概念，如質量、能量、動量等。通過這種改造所得到的相對論力學，把古典力學作為物體低速運動時的一種極限情況包含於自身之中。這樣，狹義相對論就把力學和電磁學在運動學的基礎上統一瞭起來。狹義相對論否定瞭絕對時空觀，精確地揭示瞭作為物質存在形式的空間和時間在本質上的統一性以及空間、時間同物質運動的聯系。相對論的這種時空觀，後來通過H.閔可夫斯基的工作得到重大發展。閔可夫斯基於1907年提出瞭空時四維表述形式，即在通常的空間三個坐標以外，引進第四個以光速和時間的乘積為尺度的虛坐標，這樣就可以方便地用四維空間中的幾何圖形來表示事件（稱為“世界點”）及其變化過程（稱為“世界線”）。在閔可夫斯基空間中，原來三維空間的距離和時間的間隔兩者各自獨立的不變性雖然不再成立，但兩者的結合體仍然是不變的。因此，他把這一觀點稱為“絕對世界的假設”。

　　狹義相對論不僅引起瞭時空觀革命，而且具有更深遠的哲學意義。例如，愛因斯坦根據狹義相對論導出質量和能量的相當性，即物體的質量(m)是它所含能量(E)的量度:E=mc²（c=光速）。這就加深並發展瞭物質和運動的不可分離性原理。又如，按照狹義相對論的四維表示，能量和動量結合成一個量，即“能量-動量矢量”，動量是這個四維矢量的空間分量，能量則是它的時間分量。這樣，動量守恒定律和能量守恒定律就結合成一個統一的能量－動量守恒定律，從而使笛卡爾學派和萊佈尼茨學派關於運動量度問題的爭論在新的科學水平上得到瞭更完滿的解決。

　　廣義相對論　愛因斯坦在完成狹義相對論後，繼續把相對性原理的適用范圍從相互勻速運動的參照系推廣到相互加速運動的參照系。他從伽利略早已發現的引力場中一切物體都具有同一加速度，即慣性質量同引力質量相等這一古老的實驗事實出發，於1907年提出等效原理。這一原理認為引力場同參照系的相當的加速度在物理上完全等價。由等效原理可以推斷，在引力場中，時鐘要變慢，光線要彎曲。隨後，愛因斯坦在M.格羅斯曼的幫助下找到瞭適用的數學工具，即C.F.高斯和G.F.黎曼的曲面幾何以及C.G.裡奇和T.勒維 -契維塔的絕對微分學，或稱張量分析。經過3年的艱苦努力，他於1915年11月完成廣義相對論，提出瞭對於任何坐標變換都是協變的引力場方程。廣義相對論實質上是引力理論，它用空間結構的幾何性質表示引力場，使19世紀20年代建立的非歐幾裡得幾何學獲得瞭物理意義。從廣義相對論的角度看，現實的物理空間不是平坦的歐幾裡得空間，而是彎曲的黎曼空間；空間彎曲的程度（曲率）取決於物質分佈狀況，空間曲率體現瞭引力場的強度。廣義相對論揭示瞭四維空時同物質的統一性，指出空間-時間不可能離開物質而獨立存在，這就在更深的意義上否定瞭牛頓的絕對空時觀。廣義相對論還解釋瞭牛頓力學理論無法解釋的水星近日點每百年43秒的剩餘進動，並且預言星光經過太陽邊緣要偏轉1.7秒。這一預言於1919年由日全食的觀測得到證實。

　　愛因斯坦建成廣義相對論後，即用它考察整個宇宙空間問題，開創瞭現代宇宙學。他於1917年提出的宇宙空間有限無界的模型，為宇宙膨脹理論和大爆炸宇宙學奠定瞭理論基礎。20年代以後，他試圖繼續推廣相對論，使廣義相對論發展成為既包括引力場又包括電磁場的統一場理論。他在這條道路上努力探索瞭30年，未獲任何有物理意義的結果。但70年代以後，統一場論的思想以新的形式成為一種鼓舞人心的物理理論探索的指導思想。

　　對現代哲學的影響　相對論的創建不僅帶動瞭整個物理學理論的革命，而且對現代哲學產生瞭深遠的影響。它所提出的新的時空觀、物質觀和運動觀，大大發展瞭辯證的自然觀。20世紀20年代先後在歐洲和美國出現並有廣泛影響的邏輯實證主義和操作主義的一些代表人物，都聲稱自己是以愛因斯坦創建相對論的思想方法為依據的。但愛因斯坦本人在哲學問題上采取瞭比較嚴肅、謹慎的態度，對這兩種哲學思潮在原則上都加以抵制。在蘇聯和中國，曾有人一度把相對論當作哲學上的相對主義、主觀唯心主義或馬赫主義加以批判，這不論在科學上和哲學上都產生瞭十分有害的影響。

　　

參考書目

　愛因斯坦著，楊潤殷譯：《狹義與廣義相對論淺說》，上海科學技術出版社，1964。

　W.泡利著，凌德洪、周萬生譯：《相對論》，上海科學技術出版社，1979。

　吳大猷：《相對論》，臺灣聯合出版事業公司，臺北，1977。