4.5 从物理上看相对性原理也不成立

在本书第2章指出了对立统一规律与相对性原理存在矛盾，本章又论证了对立统一规律的正确性，这就进一步说明了相对性原理是不正确的。当然，哲学上的论述不能代替物理研究，下面我们再从物理的角度分析相对性原理存在的问题。

相对性原理是爱因斯坦相对论的一个基本原理，这个原理的大概意思是：一切参考系都是平权的，即物理定律从一个坐标系变换到另一坐标系时，其数学方程的形式保持都不变。相对性原理是否正确？关于这个问题，实际上我们只需要用物理定律直接对它进行检验就可以了。

物理学的定律很多，没有必要对物理定律进行一一检验，下面，我们只选择其中的两个物理规律：引力规律和电磁规律，用这两个物理规律对相对性原理进行检验。目前，物理学中主要讨论以下几种时空：牛顿时空（即欧几里得时空）、闵可夫斯基时空、黎曼时空以及高维非欧几何时空。下面，我们分别对这几种时空进行讨论。

1）对牛顿时空的讨论

在经典物理学中，时空被看作是牛顿时空，时空间的坐标变换关系满足伽利略变换：

在经典物理学中，引力规律是牛顿万有引力定律，而电磁规律则是用麦克斯韦方程来表述。我们很容易证明牛顿万有引力规律满足相对性原理，即万有引力公式从一个惯性坐标系变换到另一惯性坐标系时，其数学形式在伽利略变换下保持不变。然而，电磁规律并不满足伽利略的相对性原理，即麦克斯韦方程在伽利略变换下，从一个坐标系变换到另一个坐标系时，其方程的形式发生了改变。因此，对于牛顿时空来说，伽利略的相对性原理并不成立，上述两个物理规律中只有引力规律满足伽利略的相对性原理，而电磁规律并不满足这个原理。

2）对闵可夫斯基时空的讨论

狭义相对论是关于闵可夫斯基时空的理论，在狭义相对论中时空间的变换关系是洛伦兹变换：

可以证明在狭义相对论中，电磁理论在洛伦兹变换下保持不变，但引力规律并不满足这一性质。因此，对于闵可夫斯基时空来说，相对性原理也不完全成立，在上述两个物理规律中只有电磁规律满足相对性原理，而引力规律并不满足相对性原理。

3）对黎曼时空及高维非欧几何时空的讨论

由于引力规律不满足狭义相对性原理，爱因斯坦便把引力问题放到黎曼时空进行研究，建立了广义相对论。广义相对论的场方程是用张量形式表述的，对于任一坐标系其形式不变，因此，对于黎曼时空来说，引力规律满足了相对性原理，然而遗憾的是，麦克斯韦电磁理论却不满足相对性原理。

广义相对论建立后，爱因斯坦一直致力于统一场论的研究，所谓统一场论，最初的目的就是把麦克斯韦电磁理论推广到黎曼时空。我们知道，真实的物理时空只有一个，如果把时空看作是黎曼时空，那么在黎曼时空中仅建立了引力理论是不够的，还需要把其他的物理规律，包括电磁理论都需要推广到黎曼时空。广义相对论完成后，爱因斯坦便开始思考麦克斯韦电磁理论的推广问题，后来他发现在黎曼时空中无法实现这一目标。爱因斯坦又借鉴卡鲁查的理论，试图在五维时空中构建统一场论，虽然历经30多年的努力，爱因斯坦始终未能完成他的统一场论的梦想。

通过以上讨论可以发现：我们找不到这样一种理论，能够让引力规律和电磁规律同时满足相对性原理。在经典物理学里，引力规律在伽利略变换下其形式保持不变，但麦克斯韦方程却不满足这一性质；在狭义相对论中麦克斯韦理论满足了相对性原理，但引力规律又不满足这一性质；在广义相对论中引力方程具有协变性，但人们无论如何也无法把电磁理论推广到广义相对论。以上事实表明，电磁规律和引力规律是两种不同的物理规律，我们无法让电磁规律和引力规律同时满足相对性原理。我们知道，电磁规律满足对称性是有实验依据的，因此，上述事实提示我们，引力规律不满足相对性原理。