关于相对论

我很高兴也很荣幸能在这里发表演讲，这是一个伟大的地方，许多理论物理学的基本观念都是在这个国家产生的，我为此时身处这样一个伟大国家的首都而荣幸。此时我想到了牛顿，想到了他带给我们的物体运动和引力理论；我还想到了法拉第和麦克斯韦，是他们将物理学与电磁场融合到了一起。从另一个角度讲，相对论不过是麦克斯韦与洛伦兹伟大计划中的最后一笔。因为他们不仅试图将引力归纳入物理学的范畴，更试图将物理学的定义扩大到包含一切世间的现象。

说到相对论，我想请大家注意这样一个误区：这个概念的产生并不是来自几个人的思辨或者空想，所有物理学上的理论来源都是我们所做的实验和亲眼观察到的事实。我们的研究方法并不是独创的，只不过是对传统的一种继承而已。那些关于空间、时间和运动最基本的概念，也都是在观察的基础上得出来的，绝不是随意捏造的，因此是不能放弃的。

空虚空间中光速不变这一定律已经被电动力学和光学证实了，还有一切惯性系的等效性（狭义相对性原理）也被迈克耳孙用实验证明了，而且用的是一种特别精妙的方法。把这两点放到一起，首先要做的就是让时间概念成为相对的，每一惯性系的时间都不同，都有各自的特殊时间。这种观念继续发展下去，我们也就随之明白直接经验与坐标和时间这两者之间的关系，这种关系从未被人们认真仔细地钻研过。基本概念与观察到的事实之间有什么样的关系？尽最大可能地认真钻研这种关系便是相对论的一个主要特点。这其中要遵循一个物理上的基本原则，那就是一个基本概念正确与否，取决于产生它的那些物理实验和现象是否被正确理解。依照狭义相对论的观点，如果用静止的时钟和物体来度量空间坐标和时间，那它们就不是相对的，而是绝对的。但是如果就它们取决于所选择的惯性系的运动状态而论，它们则是相对的。

空间与时间结合成了一个四维连续区（明可夫斯基），如果按照狭义相对论的观点来说的话，这个四维连续区是绝对的；但是如果依照的不是狭义相对论，而是以前的那些理论，这种绝对性不是统一的，它分为空间的绝对性和时间的绝对性。因为在这里，坐标和时间被看作是量度的结果，也就得出了运动（相对于坐标系）对物体形状和时钟运行的影响，也得出了能量与惯性质量之间相对存在的结论。

创立广义相对论所基于的一个事实就是物体的惯性质量与引力质量数值相同，这是过去的力学知识无法解释的。但是如果在这两者相对加速的坐标系中加入相对性原理，就能得出解释。如果一个相对于惯性系加速的坐标系被引入，那就会得到一个相对于惯性系的引力场。结果就是广义相对论将提供一种引力场理论。在这里，广义相对论是以惯性和重量相等为基础的。

如果不顾及两个坐标系相对加速，将它们看做是同样的坐标系，再配上狭义相对论，就能得出这样一个结论：当有引力场存在的时候，固体如何在空间里排列所遵循的定律并不符合欧几里得的几何定律。时钟运动得出的结果与此类似。这样一来，我们就只能将空间和时间的理论推广到更广的领域里去，原因就是原先认为空间和时间坐标能用量杆和时钟来量度，但是现在这种说法已经解释不通了。度规的推广本身已经被高斯和黎曼两位做到了，但是他们是在纯粹的数学领域内。通常情况下，狭义相对论的度规在小范围内还是有效的。这也是物理学上度规的推广的事实根据。

在我们讲的这些里，空间—时间坐标并不是独立存在的。要想让度规体现出实在性，必须将空间—时间坐标与概括引力场的数学量结合起来。

除此之外，还有一个因素影响着广义相对论的进展。恩斯特·马赫也曾经坚持认为，牛顿的一些理论不能让人信服，比如牛顿认为：要是人们不从因果的角度来研究物体运动，而只是纯粹去描述，那么物体之间的运动就只可能是相对运动。牛顿的这个认识自相矛盾，从牛顿所说的相对运动这个概念出发，就无法理解运动方程中的加速度问题，这同样也是牛顿提出的。这种矛盾迫使牛顿臆想出一种物理空间，并且假定这种空间是加速度的存在依据，加速度相对于这种空间存在。引进这种绝对空间的概念在逻辑上是没有问题的，但是总有些差强人意。为此，马赫曾经想过要修改力学方程，他想改变力学方程中的加速度不是相对于绝对空间的，而是改为相对于其余全部有重物体。鉴于当时的知识水平，他的这种想法是不可能实现的。

尽管不可能改变，但是问题已经被发现。广义相对论的运用使这个怀疑变得更有力量，因为有重物质依照广义相对论而言是会影响空间的物理性质的。依我看，除非将世界在空间上看做是闭合的，只有这样广义相对论才会完美地解决这个问题。世界上的有重物质的平均密度如果有确切的数值，并且这个数值并非是无限小，那么它有多小都没有关系，这一理论用数学的方法将会得出一个结论，并且人们不得不承认这个结论。

1. 本文是1921年6月13日爱因斯坦在英国伦敦皇家学院所作的演讲，最初发表在《民族和学园》杂志。