疑问和问题

我们知道,牛顿力学以牛顿的运动三定律和万有引力定律作为两大支柱。狭义相对论对牛顿三定律(主要是牛顿第二定律)做了改造,而牛顿的万有引力定律还是原封不动。可是,牛顿的万有引力定律与狭义相对论是有矛盾的。

牛顿力学的一个基本概念是超距作用,信息的传播不需要时间。按照牛顿的说法,宇宙万物彼此之间都有吸引力,不需要任何传递的媒介,不需要时间,万有引力具有超距即时作用。爱因斯坦对此有疑问:引力到底是怎样产生的?为什么一切物体之间都会互相吸引,具有引力呢?为什么引力具有超距即时(瞬时)作用,而其传递不需要任何时间呢?

在相对论中,光速是速度的极限。这就是说,对于任何物体的运动、任何信号的传递,其速度都不能超过光速。力的传递速度,当然也不能例外,同样不能比光速快。但是,按照万有引力定律,你若举起一个手指头,手指对于月球的引力也随之变化,信号的传递速度是无穷大。这表明引力效应的传播比光还快。这与相对论是有矛盾的。此外,根据相对论,同时性的概念是相对的。说引力作用是“即时”(即同时)的,究竟相对于哪个参照系“即时”呢?当他想把牛顿的引力理论纳入相对论之中时,却遇到了明显的矛盾。爱因斯坦深深地感到“这个问题不可能在狭义相对论的框架中得到解决”。

在狭义相对论中,爱因斯坦主要涉及的是匀速运动,而每个相对于地面惯性系做匀速直线运动的参照系都是惯性系。但是,在做加速运动的火车上进行试验时,小球没有受到外力作用,却不保持静止或匀速直线运动的状态,此时惯性定律不成立。因此,任何相对于惯性系做加速运动的参照系,都不是惯性系。

把狭义相对论拓展到加速运动是一个困难的问题,因为在加速运动方面好像用不上运动的相对性概念。在观察者所处的参照系内是觉察不到匀速运动的。加速运动被称为“绝对”的运动,人们不必相对于任何别的参照系就可以对它下判断。加速运动这种显而易见的非相对性(non-relativity)使爱因斯坦大伤脑筋。他希望把相对论扩大到包括一切运动在内。

从狭义相对论来看,其结论形成了这样的一种局面:否定了一个特殊优越的参照系(绝对空间),却肯定了一类特殊优越的参照系(惯性系)。在“好”的参照系(如惯性系)中,一切物理定律都是相同的;而在“坏”的参照系(如非惯性系)中,则不成立。

爱因斯坦觉得这里有问题,他想知道:

自然界为什么要给匀速直线运动以一种特殊优越的地位呢?自然界为什么要给惯性系以一种特殊优越的地位呢?

由上可见,对狭义相对论提出上述两点基本质疑的,正是提出并建立狭义相对论的爱因斯坦本人。他以敏锐的洞察力及坚持不懈的探索精神,抓住了这两个致命的环节,一个更为深刻与普遍的广义相对论就由此诞生。