第一部分
相对论原理

导言

有时我们会误解，以为诸如爱因斯坦相对论这样伟大的科学突破是从零开始的，而与此前的研究完全无关。在《相对论原理》一篇中，我们可以看到爱因斯坦发展其理论的背景，包括作为基础的几篇重要论文。

最好了解一下物理学在19世纪和20世纪之交的状态，以便在这个背景中考察他的贡献。1864年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发展了完备的电磁学理论，并且指出静电荷产生电场，而动电荷产生磁场。这两种力看起来是根本不同的。

亨德里克·A.洛伦兹于1895年和1904年发表的一系列论文中询问似乎简单的问题。如果电荷静止，而我们从它边上跑过去会发生什么？洛伦兹指出，对于运动的观察者，静止电荷“就像”运动电荷，并由此电场就会显得像磁场。洛伦兹证明，电磁波对于一个运动的观察者，正如对于一个静止的观察者一样，会以相同的速率——光速传播。

1905年爱因斯坦得到相似的结论，电力和磁力是根本上相互关联的，对于以不同速率运动的观察者，它们以不同的比例显现。但是爱因斯坦走得远得多。他假定在任何“惯性参考系”（以固定速率和方向运动的）中所有物理定律必须同样成立，而且对于任何这样的观察者光速都必须是常数。

无论是麦克斯韦理论，还是迈克耳孙-莫雷实验都很好地支持这些假设。迈克耳孙和莫雷的实验显示，无论地球如何运动，光总是以常速率行进。爱因斯坦假定，两位携带相同钟表和米尺并做相互运动的观察者，每位都会测量出另一位的米尺被缩短，而且测量出另一位的钟表变慢。这表观上似是而非的矛盾处于相对论的核心。

运动参考系之间的变换习惯上被称作洛伦兹变换。这种变换对艾萨克·牛顿爵士的运动定律有另一个重要改正。根据牛顿的观点，对一个物体施加不变的力将使它加速，这样不断地进行会无限地增加物体速率。然而，爱因斯坦相对论显示，没有东西可以超过光速，只能趋近于光速这个极限值——牛顿是错误的。

爱因斯坦承认相对论是不完备的。它只能解释以常速度运动的物体系统，而在引力场中物体一直在被加速。这样他在从1911年至1916年的几篇里程碑式的论文中发展了“广义相对论”。其主要结果在《相对论原理》的第七、第八两章中描述。

爱因斯坦在他的“理想实验”之一中假设，在一个静止地停留在地球表面升降机中和在远离大量物质的太空中正在从下往上加速的升降机中分别进行的实验，不应该有差别。由于加速参考系使所有投掷物，包括光线弯曲，爱因斯坦证明了引力场必然弯曲光线。事实上，广义相对论说的是，弯曲的正是空间和时间本身，光或者其他任何物体只不过是沿着“直线”通过空间和时间而已。

按照约翰·阿契巴尔德·惠勒的说法，“物质指示时空如何弯曲，而时空指示物质如何运动。”爱因斯坦意识到，他的方程不仅制约光束和星体，而且还制约整个宇宙。他意识到宇宙不能是静止的，它要么膨胀要么坍缩。这样，广义相对论就形成了现在称作宇宙学的领域的基础，正如在第十章描述的。

为了使宇宙处于永恒静止状态，爱因斯坦先验地把称作“宇宙常数”的一项引进他的场方程。当埃德温·哈勃在1929年发现膨胀宇宙时，爱因斯坦意识到他的过失，并把宇宙常数认为是“一生最大的错误”。近年来，宇宙常数又以一种新形式——渗透宇宙的“暗能量”被重新引进宇宙学。对遥远超新星的最近观测暗示，暗能量正在为宇宙的加速增添燃料。

爱因斯坦提出的模型迄今仍然非常有效，在大尺度上仍然经受了观测的检验。当我们仔细阅读他关于物质世界的思想时，给我们留下了非常深刻印象的是，从这么简单的起始假设出发，他本人以及后继的思想家们能够推断出这么多的预言。

（吴忠超译）