爱因斯坦(30)

三〇

　　爱因斯坦此时所想的是：“为什么要认定某些参考物体（或它们的运动状态）比其它参考物体（或它们的运动状态）优越呢？此种偏爱的理由何在？”或者提问：“坐标系有没有更进一步的等效性？换个提法，如果速度概念只能有相对的意义，难道我们还应当固执着把加速度当作一个绝对的概念吗？”还可以进一步提问：“自然规律是不是这样构成的，通过任何一组特殊的坐标选择，这些规律不作实质性的简化？”

　　当爱因斯坦在进行这些构思和探索的时候，同时代的物理学家都没有将目光和兴趣放在这上面，实验物理学也并未将解决广义相对论的问题作为理论的需要提出来。是爱因斯坦不满足于自己探索宇宙奥秘的成就，不断地叩问自然，不懈地进行探索，从而投入对广义相对论的探讨。无怪乎爱因斯坦自己就说过：要是他没有发现狭义相对论，也会有别人发现出来，因为问题已经成熟；而广义相对论的情况则不是这样。理论探索的重担责无旁贷地落到了爱因斯坦的肩上。

　　爱因斯坦曾经举过一个例子来说明广义相对论，这个例子以问答表示：

　　问：如果我拾起一块石头，然后放开手，为什么石块会落到地上呢？

　　牛顿力学回答说：因为石块受地球吸引。

　　爱因斯坦的回答：地球对石块的作用不是直接的。地球在其周围产生了一个引力场，引力场作用于石块才引起石块的下落运动。

　　爱因斯坦的这个回答不是狭义相对论的回答。狭义相对论的有效性有其界限——只有在可以不考虑引力场对现象（如光现象）的影响时，它的结论才能成立。广义相地论则恰好以存在引力场的作用为其前提。这正是两种理论不同质的规定性标志之一。爱因斯坦说：“当我力图在狭义相对论的框子里把引力表示出来的时候，我才完全明白，狭义相对论不过是必然发展过程的第一步。”

　　两个理论不同的另一个质的规定性标志在于是否受惯性系所限制。广义相对论超出匀速运动要考虑加速度。火车车厢作为匀速运动是狭义相对论设例的前提。可是，当使用制动器猛然刹车的时候会怎样呢？那时车厢里的人会相应地猛然前倾。这是一种减速运动，它由物体相对于车厢里的人的力学行为表现出来。狭义相对论对此无能为力，而广义相对论的特出之处正在于在加速度的背景下建立力学定律。

　　今天我们可以依据上述两个标志将狭义相对论和广义相对论区分出来，可是在当时，连爱因斯坦自己也不能肯定。爱因斯坦在对广义相对论的探索中引进了新因素：加速度（非惯性系）和引力场。立足于这些新因素来建造新理论无疑是简便的。由此爱因斯坦进一步思索：加速度与引力场有什么关系？加速度与没有引力场的关系怎样？引力场存在与惯性系的关系又怎样？

　　爱因斯坦的问题已经提出，解决问题的方法仍然落实到扩大相对性上来。当然此时相对性的扩大就不是去创建狭义相对论时的情况了。在创立广义相对论时爱因斯坦的思路是这样的：扩大坐标系的相对性，即将一切惯性系的等效性扩大到一切坐标系（包括非惯性系）的等效性。这样一种扩大，其中介是惯性质量和引力质量相等（等值）。那么我们知道，爱因斯坦在创建狭义相对论时依据的是各种不同光源发出的光线传播速度相同。这种等同性与惯性质量和引力质量的等值性，都是一种对称的协调。在方法论意义上，我们可以看到，扩大相对性，建立新的对称和新的统一，要以某种等同性的存在为基础。找出这种等同性，一方面为相对性的扩大提供基础，另一方面又提供对立双方所以能够统一所必需的中介或纽带。

　　爱因斯坦在完成广义相对论的探索后还提出了“原理理论”，这一概念也具有普遍意义。要掌握理论的本性，首先需要知道它所依据的普遍原理。在爱因斯坦看来，普遍原理是对各种可能的理论进行选择并加以限制的形式要求。因此它也称为限制性原理。

　　狭义相对论的限制性原理是：物理方程对于真空中的光速之不变的一切坐标系都适用；广义相对论的限制性原理是：物理方程对于彼此由连续的坐标变换相联系的一切坐标系都适用。爱因斯坦说，“不是用假设构造出来的，而是在经验中发现的，它们是自然过程的普遍特征，即原理，这些原理给出了各个过程或者它们的理论表述所必须满足的数学形式的判据”。

　　原理理论使用的是分析方法，而不是综合方法。其优点是逻辑上完整和基础巩固。对于原理理论，“逻辑的简单性”要求起着十分显著的作用，并且限制性原理乃是一个能动的因素。爱因斯坦不止一次指出过，狭义相对论指向它本身范围以外，其所以如此，就依靠它所包含的限制性原理具有的能动性。限制性原理包含作为逻辑前提的普遍原理又限制了它的普遍性。由于揭示了限制性，“那么为什么要这么限制？”这类问题就是原理本身具有的，因而它又具有启发性。我们可以从狭义相对论的限制性原理发问：物理定律的参照系不限制在惯性系不行吗？这个问题就指向狭义相对论之外。那么从狭义相对论发展到广义相对论，依据爱因斯坦的思路，其探索的思路过程在一定意义上可以这样描述：从限制性原理的限制性出发，经过怀疑、探索和证实，达到对限制性原理的限制性加以否定。一个限制性原理被突破了，另一个更普遍的原理取而代之。

　　正如同在扩大相对性的探索中所揭示的那样：狭义相对论对于它所发展了的理论来说，是一个更加简单、更加统一、更加普遍的理论。广义相对论亦然。因此，无论广义相对论还是狭义相对论，其追求的目标和达到的结果是相同的：不同水平上更加统一的理论。

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