愛因斯坦傳

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愛因斯坦為創建這一新理論其思路的關鍵是擴大相對性。在狹義相對論的創建過程中，擴大相對性表現為擴大運動的相對性，即將相對性擴展到一切運動，不給絶對運動留下任何餘地，不允許有為絶對運動存在所必需的特別優越的參照系，只允許相對運動存在。擴大相對性還可以從另一意義上得到理解，那就是將相對性原理的適用範圍擴大，將其有效地應用於真空中光速不變原理。上述兩種理解對於狹義相對論在邏輯上都是適用的。

擴大相對性作為一種方法，它具體的內容究竟何指？愛因斯坦曾經舉過這樣兩個例子：假設有兩個實驗室，一個設在曠野，一個設在火車上，火車以固定的速度向一個方向行駛，兩個物理學家各自在一個實驗室裡使用同樣的儀器，得出同樣的結果來。

愛因斯坦說持有這樣看法的理論就是狹義相對論。他又以另一個例子說明相對性。

「如果您在一個漂亮的姑娘身旁坐一個小時，你只覺得坐了片刻；反之，你如果坐在一個熱火爐上，片刻就像一個小時。這就是相對的意義，這當然是好懂的」。愛因斯坦接着又詼諧地反詰說：「如果有人存有懷疑，而又想試驗一下的話，有誰不會寧願做那個同姑娘坐在一起的人，而把火爐留給懷疑者呢？」在愛因斯坦看來，擴大相對性與理論探索中所發現的問題和問題境況有關，也就是說，擴大什麼樣的相對性，着眼于什麼對象，需要依據具體問題和具體的情況而定，因而是不同的。但就方法論的道義而言，擴大相對性則具有普遍性。

在狹義相對論建立之後，愛因斯坦繼續沿著擴大相對性的理論思路朝向更加統一的新理論進軍。物理學前輩普朗克對此很不理解，他對愛因斯坦說過：「現在一切都能明白地解釋了，您為什麼又忙於另外一個問題呢？」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着把加速度當作一個絶對的概念嗎？」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，當使用制動器猛然剎車的時候會怎樣呢？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。