关于相对论15

能到这么一个伟大的地方来发表演讲，我觉得非常高兴。此时我非常荣幸能够身处这样一个伟大国家的首都，要知道，这个国家产生了很多理论物理学的基本观念。此时此刻，我想到了牛顿以及他所发现的运动定律和引力理论；我还想到了将物理学和电磁场融合到了一起的麦克斯韦与法拉第。我们甚至可以说，相对论仅仅是完成了麦克斯韦和洛伦兹的伟大计划。因为他们不但努力用物理学包容引力，更努力地将世间的一切现象包容到物理学中来。

我想，有这么一个关于相对论的误区是大家需要注意的：我们所做的实验和观察到的事实构成了一切物理学的理论来源，因而相对论概念也并非来自几个人的空想或者思辨。我们只是继承了传统的研究方法，而并不是凭空创造。站在观察的基础之上，我们才给出了有关运动、时间和空间的最基本概念，这些概念绝非随意捏造，所以也就不能放弃。

电动力学和光学已经证实了光速在真空中不变这条定律，而迈克尔孙也已经用一种极为精妙的实验证明了狭义相对性原理：一切惯性系的等效性。融合这两点，首先要做的便是破除“绝对时间”的观念，每一惯性系都有着各自特殊的、不同的时间。顺着这种观念往下思考、探索，我们就会发现，坐标和时间这两者与直接经验有着怎样的关系，而人们从未认真地钻研过这种关系。观察到的事实和基本概念之间的关系是怎样的？相对论的一个主要特点，便是竭尽全力地对这种关系进行探索。有一个物理上的基本原则是在此过程中必须遵循的，即一个基本概念是否正确，决定于人们能否正确理解产生它的那些物理现象和实验。根据狭义相对论，若是用静止的时钟和物体对时间和空间坐标进行度量，那它们就是绝对的而非相对的。而度量的标准若是根据其所选择的惯性系的运动状态，它们就是相对的。

时间与空间构成了一个四维连续区（明可夫斯基），若是依据狭义相对论，此四维连续区就具有绝对性。可若依照以前的那些理论而不从狭义相对论的角度来看，这种绝对性又分为时间的绝对性和空间的绝对性，其绝对性不是统一的。因为在这种思想中，时间和坐标是作为度量的结果而存在的，于是，物体形状和时钟运行受到运动（相对于坐标系）影响的结论就出现了，能量和惯性质量之间相对存在的结论也就出现了。

以前的力学知识无法解释，为什么物体的惯性质量等同于引力质量数值，而这一事实就是广义相对论创立的基础。然而若是将相对性原理加入这两者相对加速的坐标系之中，就可以解释这个事实了。若是引入一个相对于惯性系加速的坐标系，那么，一个相对于惯性系的引力场就会出现。于是，一种引力场理论从广义相对论中出现了。在此处，惯性和质量相等这一事实是广义相对论的基础。

若是将两个坐标系看成是同样的坐标系，而忽略它们的相对加速，再根据狭义相对论，这样一个结论就出现了：若是存在着引力场，那么，欧几里得的几何定律就无法规定固体在空间中排列所遵循的定律。与此类似的结果也可由时钟运动获得。我们原先以为能用量杆和时钟来度量空间和时间，可现在这种说法已经不具有解释力，如此一来，我们就只能在更广的领域中推广空间和时间的理论。高斯和黎曼两位已经在纯粹的数学领域内推广了度规。一般而言，在小范围内，狭义相对论的度规依旧有效。这一事实也就是推广物理学上度规的依据。

在我们所说的这些范围内，时空坐标并非独立存在。必须把时空坐标和概括引力场的数学量结合起来，才能获得度规的实在性。

影响广义相对论发展的还有另外一个因素。牛顿的一些理论也曾经遭到恩斯特·马赫的质疑，比如牛顿的这个说法：人们如果只是纯粹地描述物体运动，而不从因果角度加以研究，那么相对运动就是一切物体之间的运动的本质。牛顿的这个观点是自相矛盾的，若是依据牛顿提出的相对运动这个概念，运动方程中的加速度问题就没法理解，牛顿同样也意识到了这一点。牛顿因此臆想出一种物理空间以解决此矛盾，并假定加速度存在的依据就是这种空间，加速度的存在是相对于这种空间的。在逻辑上，这种绝对空间概念的引进并没有问题，然而总让人觉得说服力不强。马赫曾为此想过对引力方程加以修改，他想将引力方程中的加速度改变为相对于其余全部有重物体，而不是相对于绝对空间。受到当时知识水平的限制，他不可能实现这种想法。

虽然改变是不可能的，然而人们已经发现了问题。因为从广义相对论的角度来看，空间的物理性质是受到有重物质的影响的，所以这个怀疑在广义相对论的支持下就更有力量。我认为，若想用广义相对论完美地解决这个问题，只有把世界在空间上看成是闭合的。如果世界上的有重物质的平均密度存在着确切的数值，而且此数值并不是无限小的，那么无论它有多小，用数学方法借助这个理论将会获得一个结论，并且这个结论就是客观存在的真理。