相對論(全新修訂版)

總序
編譯者語
相對論簡史（代序）
導讀
第一章 狹義相對論
1.1 幾何命題的物理意義
1.2 坐標系
1.3 經典力學中的空間和時間
1.4 伽利略坐標
1.5 相對性原理（狹義）
1.6 經典力學中的速度相加定理
1.7 光的傳播定律與相對性原理的表面抵觸
1.8 物理學的時間觀
1.9 相對性的同時性
1.10 距離概念的相對性
1.11 洛倫茲變換
1.12 量桿和鐘在運動時的行為
1.13 速度相加法則 斐索實驗
1.14 對相對論啟發作用的評估
1.15 一般相對論的普通結果
1.16 經驗和狹義相對論
1.17 閔可夫斯基四維空間
第二章 廣義相對論
2.1 狹義和廣義相對性原理
2.2 重力場
2.3 慣性質量和引力質量相等是廣義相對性公設的論據
2.4 經典力學和狹義相對論的基礎有哪些不能令人滿意的方面
2.5 對廣義相對性原理的幾個推論
2.6 在旋轉的參考物體上鐘和量桿的行為
2.7 歐幾里得和非歐幾里得連續區域
2.8 高斯坐標
2.9 狹義相對論的空間—時間連續區可當做歐幾里得連續區
2.10 廣義相對論的空間—時間連續區不是歐幾里得連續區
2.11 廣義相對性原理的精確表述
2.12 以廣義相對性原理為僚礎解決地心引力問題
第三章 對整個宇宙的思考
3.1 在宇宙論中牛頓理論的困難
3.2 “有限”而“極大”的宇宙的可能
3.3 以廣義相對論為依據的空間結構
3.4 對“以廣義相對論為依據的空間結構”的補充
附錄
廣義相對論的實驗證實
相對論與空間問題
科學與宗教
什麼是相對論
理論物理學的基礎
科學與文明
愛因斯坦生平大事年表
物理學大事年表

誰是20世紀最偉大的人？美國《時代》周刊對數百位當世名人進行遴選，愛因斯坦、富蘭克林、羅斯福及甘地得票最高。而由英國物理學家史蒂芬‧霍金撰文介紹的愛因斯坦，則成為20世紀無可爭議的最偉大的人。

19世紀後期，科學家相信，他們對宇宙的完整描述就要接近尾聲。在他們的想象中，一種叫“以太”的連續介質充滿了宇宙空間，空氣中的聲波、光波和電磁信號，就是“以太”中的波。

然而，不久以後，與空間完全充滿“以太”的思想相悖逆的理論出現了︰根據“以太”理論可知，光線傳播速度相對于“以太”應是一個定值。因此，如果你沿著與光線傳播相同的方向行進，你所測得的光速應比你在靜止時測得的光速低；反之，如果你沿著與光線傳播相反的方向行進，你所測得的光速應比你在靜止時測得的光速高。但是，造成光速差別的證據在實驗中沒有找到。

在這些實驗當中，1887年，美國俄亥俄州克里夫蘭的凱斯研究所的阿爾伯特‧邁克爾遜和埃迪沃德‧莫里完成了最準確細致的測量。他們測量了兩束成直角的光線的傳播速度。根據推理，由于自轉和繞太陽的公轉，地球應在“以太”中穿行，因此，上述兩束光線應因地球的運動而測得不同的速度。莫里發現，無論是晝夜或冬夏，都未引起兩束光線速度的變化。不論你運動與否，光線似乎總是以相同的速度傳播。

愛爾蘭的喬治‧費茲哥立德和荷蘭的亨卓克‧洛倫茲最早認為，相對于“以太”，做運動的物體在運動方向上的尺寸會收縮，而時鐘會變慢。但是，他們同時認為，“以太”是一種真實存在的物質。

這時候，就職于瑞士首都伯爾尼的瑞士專利局的年輕的阿爾伯特‧愛因斯坦，插手“以太”說，並一次性永遠地解決了光傳播速度的問題。

1905年，愛因斯坦的論文指出，由于人們無法探測出自己是否相對于“以太”運動，因此，關于“以太”的整個概念純屬多余。愛因斯坦認為，科學定律應該賦予所有自由運動的觀察者相同的形式，無論觀察者如何運動，他們都應該測量到同樣的光速。

這個思想中，愛因斯坦要求人們放棄所有時鐘測量到的那個普適的時間概念，每個人都應當有他白己的時間值︰如果兩個人是相對靜止的，他們的時間就是一致的；如果他們間存在相互的運動，他們觀察到的時間就會不同。

大量的實驗證明，愛因斯坦的這個思想是正確的。一個繞地球旋轉的精確的時鐘與存放在實驗室中的精確時鐘相比，前者確有時間指示上的差別。如果你想延長你的生命，你可以乘飛機向東飛行，這時，疊加上地球旋轉的速度，你就可以獲得那零點幾秒的生命延長，也可以以此彌補你因食用航空食品帶來的損害。

愛因斯坦認為，對所有自由運動的觀察者而言，自然定律都是相同的，這個前提是相對論的基礎。因為，這個前提隱含了只有相對運動是重要的。雖然相對論的完美與簡潔折服了許多科學家和哲學家，但是相反意見仍然很多。愛因斯坦摒棄了19世紀自然科學的兩個絕對化觀念︰“以太”所隱含的絕對靜止和所有時鐘測得的絕對或普適時間。

……