愛因斯坦(30)_學達書庫

三〇

　　愛因斯坦此時所想的是：「為什麼要認定某些參考物體（或它們的運動狀態）比其它參考物體（或它們的運動狀態）優越呢？此種偏愛的理由何在？」或者提問：「坐標系有沒有更進一步的等效性？換個提法，如果速度概念只能有相對的意義，難道我們還應當固執著把加速度當作一個絕對的概念嗎？」還可以進一步提問：「自然規律是不是這樣構成的，通過任何一組特殊的坐標選擇，這些規律不作實質性的簡化？」

　　當愛因斯坦在進行這些構思和探索的時候，同時代的物理學家都沒有將目光和興趣放在這上面，實驗物理學也並未將解決廣義相對論的問題作為理論的需要提出來。是愛因斯坦不滿足於自己探索宇宙奧秘的成就，不斷地叩問自然，不懈地進行探索，從而投入對廣義相對論的探討。無怪乎愛因斯坦自己就說過：要是他沒有發現狹義相對論，也會有別人發現出來，因為問題已經成熟；而廣義相對論的情況則不是這樣。理論探索的重擔責無旁貸地落到了愛因斯坦的肩上。

　　愛因斯坦曾經舉過一個例子來說明廣義相對論，這個例子以問答表示：

　　問：如果我拾起一塊石頭，然後放開手，為什麼石塊會落到地上呢？

　　牛頓力學回答說：因為石塊受地球吸引。

　　愛因斯坦的回答：地球對石塊的作用不是直接的。地球在其周圍產生了一個引力場，引力場作用於石塊才引起石塊的下落運動。

　　愛因斯坦的這個回答不是狹義相對論的回答。狹義相對論的有效性有其界限——只有在可以不考慮引力場對現象（如光現象）的影響時，它的結論才能成立。廣義相地論則恰好以存在引力場的作用為其前提。這正是兩種理論不同質的規定性標誌之一。愛因斯坦說：「當我力圖在狹義相對論的框子裡把引力表示出來的時候，我才完全明白，狹義相對論不過是必然發展過程的第一步。」

　　兩個理論不同的另一個質的規定性標誌在於是否受慣性系所限制。廣義相對論超出勻速運動要考慮加速度。火車車廂作為勻速運動是狹義相對論設例的前提。可是，當使用制動器猛然刹車的時候會怎樣呢？那時車廂裡的人會相應地猛然前傾。這是一種減速運動，它由物體相對於車廂裡的人的力學行為表現出來。狹義相對論對此無能為力，而廣義相對論的特出之處正在於在加速度的背景下建立力學定律。

　　今天我們可以依據上述兩個標誌將狹義相對論和廣義相對論區分出來，可是在當時，連愛因斯坦自己也不能肯定。愛因斯坦在對廣義相對論的探索中引進了新因素：加速度（非慣性系）和引力場。立足於這些新因素來建造新理論無疑是簡便的。由此愛因斯坦進一步思索：加速度與引力場有什麼關係？加速度與沒有引力場的關係怎樣？引力場存在與慣性系的關係又怎樣？

　　愛因斯坦的問題已經提出，解決問題的方法仍然落實到擴大相對性上來。當然此時相對性的擴大就不是去創建狹義相對論時的情況了。在創立廣義相對論時愛因斯坦的思路是這樣的：擴大坐標系的相對性，即將一切慣性系的等效性擴大到一切坐標系（包括非慣性系）的等效性。這樣一種擴大，其中介是慣性質量和引力質量相等（等值）。那麼我們知道，愛因斯坦在創建狹義相對論時依據的是各種不同光源發出的光線傳播速度相同。這種等同性與慣性質量和引力質量的等值性，都是一種對稱的協調。在方法論意義上，我們可以看到，擴大相對性，建立新的對稱和新的統一，要以某種等同性的存在為基礎。找出這種等同性，一方面為相對性的擴大提供基礎，另一方面又提供對立雙方所以能夠統一所必需的中介或紐帶。

　　愛因斯坦在完成廣義相對論的探索後還提出了「原理理論」，這一概念也具有普遍意義。要掌握理論的本性，首先需要知道它所依據的普遍原理。在愛因斯坦看來，普遍原理是對各種可能的理論進行選擇並加以限制的形式要求。因此它也稱為限制性原理。

　　狹義相對論的限制性原理是：物理方程對於真空中的光速之不變的一切坐標系都適用；廣義相對論的限制性原理是：物理方程對於彼此由連續的坐標變換相聯繫的一切坐標系都適用。愛因斯坦說，「不是用假設構造出來的，而是在經驗中發現的，它們是自然過程的普遍特徵，即原理，這些原理給出了各個過程或者它們的理論表述所必須滿足的數學形式的判據」。

　　原理理論使用的是分析方法，而不是綜合方法。其優點是邏輯上完整和基礎鞏固。對於原理理論，「邏輯的簡單性」要求起著十分顯著的作用，並且限制性原理乃是一個能動的因素。愛因斯坦不止一次指出過，狹義相對論指向它本身範圍以外，其所以如此，就依靠它所包含的限制性原理具有的能動性。限制性原理包含作為邏輯前提的普遍原理又限制了它的普遍性。由於揭示了限制性，「那麼為什麼要這麼限制？」這類問題就是原理本身具有的，因而它又具有啟發性。我們可以從狹義相對論的限制性原理發問：物理定律的參照系不限制在慣性系不行嗎？這個問題就指向狹義相對論之外。那麼從狹義相對論發展到廣義相對論，依據愛因斯坦的思路，其探索的思路過程在一定意義上可以這樣描述：從限制性原理的限制性出發，經過懷疑、探索和證實，達到對限制性原理的限制性加以否定。一個限制性原理被突破了，另一個更普遍的原理取而代之。

　　正如同在擴大相對性的探索中所揭示的那樣：狹義相對論對於它所發展了的理論來說，是一個更加簡單、更加統一、更加普遍的理論。廣義相對論亦然。因此，無論廣義相對論還是狹義相對論，其追求的目標和達到的結果是相同的：不同水平上更加統一的理論。

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