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19 世纪末20 世纪初，伽利略和牛顿创立的经典力学受到了强有力的挑
战，物理学的宏伟大厦摇摇欲坠，为解答以太之谜，洛伦兹与彭加勒都做出
了巨大努力，他们在一只手已叩响相对论的大门时停下了。他们囿于牛顿关
于绝对时间和绝对空间的观念，不能做出根本性的突破。青年爱因斯坦没有
思想包袱，有的是独立的批判精神，自然界的统一性的思想，他不能容忍自
然现象的统一性被破坏。
早在200 年前，伽利略就发现，所有的惯性系，对于表述力学定律都是
同样有效的，平等的，不存在任何特殊的惯性系，这就是说，任何力学实验
都无法辨别惯性系本身的运动状态。这种运动的相对性，在古典力学中普遍
存在，但在麦克思韦电动力学中不能成立，因为它只适用于静止的坐标系。
爱因斯坦认为，这种不对称不应是自然界所固有的，问题大概出在我们了解
自然界的概念和理论上。他发现，只要把作为古典物理学基础的空间和时间
概念进行适当的修改，这种“不对称”就可以消除。他在一个最平凡、最简
单，也最不成问题的问题上找到突破口，这就是所谓“同时性”问题。他设
计了一个纸上的实验证明，两个在空间上分开的事件的所谓“同时”，取决
于它们相隔的空间距离和光信号的传播速度，在静止的观察者看来是同时的
两个事件，在运动的观察者看来就不可能是同时的。这就是同时性的相对性。
由此可见，时间与空间并不是井水不犯河水各不相干，而是存在着本质的联
系，并且都同物质的运动有关。对于不同的惯性系，时间的量度不可能是相
同的。那么，牛顿所认为的同空间和物质运动无关的，对任何惯性系都一样
的“绝对时间”是不存在的。同样地，同物质运动无关的静止的“绝对空间”
也是不存在的。既如此，爱因斯坦干脆地宣布，根本不存在所谓“以太”。
这就完全改变了人们的时空观。
爱因斯坦着手建立一个统一的物理理论。他把伽利略力学运动的相对性
原理扩展开来，使之包括所有物理定律。把它提升为公理；又把观测和实验
得来的光速不变也提升为公理。如果两者同时成立，不同的惯性系的各个坐
标之间必然存在一种确定的数学关系，这就是洛伦兹变换。通过这种变换，
他推导出，运动的尺子要缩短；运动的钟要变慢；任何物体的运动速度都不
能超过光速。由这个理论来看，以前的矛盾都解决了，古典力学定律成了物
体在低速运动时的一种极限情况。自然现象在运动学方面显示出统一性。这
就是“狭义相对论”。
相对论不仅引起了时空观的革命，也带来了整个物理学的革命，产生了
深远的影响。其中最突出的，是关于物体的质量和能量相对性的推论，即Ｅ=mc2。这为以后原子弹的制造、核能的和平利用打下了理论基础。
1916 年发表的《广义相对论的基础》则完成了现代物理学大厦的封顶工
作。爱因斯坦发现，现实的有物质存在的空间，不是平坦的欧几里德空间，
而是弯曲的黎曼空间；空间的弯曲程度取决于物质的质量及其分布状况，空
间曲率就体现为引力场的强度。这就在更深一层意义上否定了牛顿的绝对时
空观。广义相对论实质上是一种引力理论，它把几何学与物理学统一起来，
用空间结构的几何性质来表述引力场。它同牛顿的引力论有本质的不同，但
在日常人们接触到的现象中却分辨不出两者结果的差异。爱因斯坦提供了三
个可供实验验证的推论。第一是水星近日点的进动，这在当时就得到完满解
决。第二，在强引力场中，时钟要走得慢些，因此从巨大质量的星体表面射
到地球上的光的谱线，必定显得要向光谱的红端移动。这在1925 年得到观测
验证。第三，光线在引力场中的偏转。这在第一次世界大战结束后的对日全
食的观测中得到了验证，使广义相对论顷刻间闻名于世。
在这本书的第三部分，爱因斯坦应用他的理论对宇宙的模式进行了一些
探讨。
爱因斯坦不仅在科学上做出了如此杰出的贡献。他热爱和平、曾经给罗
斯福总统写信，敦促美国研制原子弹，赶在法西斯成功之前，用以结束战争。
他性格既骄傲又谦虚，在自己的领域他很自负。当以色列国成立时，国家邀
请他出任总统，他拒绝了。他还是一位比较出色的小提琴演奏家，在思考的
间隙，他会在美妙的琴声中迷醉一会儿，这也许是使他的理论变得那么美丽
的原因之一。
精彩篇章推荐
从这么一本逻辑严谨的小书中抽取一章或几章来是比较困难的事，几经
权衡，我向大家推荐以下几节。
第一部分第15 节，狭义相对论的普遍性结果这一节导出了那个最
著名的方程式。
第二部分第29 节，在广义相对性原理的基础上解引力问题文如其
题。
第三部分第31 节，一个“有限”而又“无界”的宇宙的可能性爱因
斯坦提出了自己的宇宙观，富有启发性。
精彩语言辑录
△我严谨地遵照杰出的理论物理学家玻耳兹曼的格言，即形式星否
优美的问题应该留给裁缝和鞋匠去考虑。
△我想说明，空间一时间未必能看作是脱离物质世界的真实客体而
独立存在的东西，并不是物体存在于空间中，而是这些物体具有空间广
延性。
△对于物理学家而言，在他有可能判断一个概念在实际情况中是否
真被满足以前，这概念就还不能成立。
△一门学科一经走出它的初始阶段，理论的发展就不再仅仅依靠一
个排列的过程来实现。而是研究人员受到经验数据的启发而建立起一个
思想体系；一般来说，这个思想体系在逻辑上是用少数的基本假定，即
所谓公理，建立起来的。我们将这样的思想体系称为理论。理论有存在
的必要的理由仍在于它能把大量的个别观察联系起来，而理论的“真实
性”也正在于此。
《时间简史—从大爆炸到黑洞》
作者：（英）霍金
成书时间：1982～1987 年
类别：科普读物
版本推荐：湖南科学技术出版社版
书海领航
爱因斯坦去世后，宇宙学研究的重任就落在了史蒂芬·霍金身上。霍金
的生活极为不幸，他上大学的时候就患了卢伽雷氏症，永远成为轮椅的囚徒。
他不能发声，只能靠一种语音合成器以正常人十分之一的速度与人“交谈”；
看书必须依赖于一种翻书页的机器。然而庆幸的是，他的脆弱的脖颈正好能
够支持起他的天才的头脑。生理上他寸步难行，智慧上却一跃千年，跑到几
十亿光年之外，那宇宙的边缘。鉴于他取得的成就，剑桥大学授予他卢卡逊
数学教授一职。在300 年的时间里，只有牛顿和狄拉克曾享此殊荣。
霍金关心的是人类最古老也是最基本的问题：时间有始有终吗？宇宙是
无限的还是有限的？问题似乎简单，却伤透了人类一代代最杰出科学家的脑
筋。霍金试图把相对论和量子力学结合起来，展示给人类一幅新的宇宙图像。
首先，在经典物理学的框架内，它证明了黑洞和大爆炸奇点的不可避免性；
而在量子物理学的框架内，他研究的黑洞辐射理论证明大爆炸的奇点不但被
量子效应所抹平，而且整个宇宙正是起始于此。因此，霍金当之无愧地被赞
誉为本世纪最重要的广义相对论学者和宇宙学家。
《时间简史》是一部讲述宇宙奥秘的科普读物。霍金所有理论公式都弃
置不用，因为别人告诫他，放在书中的每一个方程都会使本书的销售量减半。
霍金成功了，此书自经问世，已售出1000 万册。霍金曾戏称，写此书的目的
是为了给女儿挣学费，结果是，他女儿得到了丰足的学费，而读者获得了丰
富的知识。
内容梗概
一、时间起始点——宇宙大爆炸奇点
人们曾一直相信宇宙以静止不变的状态存在了无穷长的时间，并将以这
种状态无限地存在下去。但1929 年埃德温·哈勃的具有里程碑式的观测使这
种观念寿终正寝，并将宇宙开端的探索带进科学王国。哈勃发现无论在哪个
方向观测，远处的星系都是远离我们急速而去。也就是说，宇宙是不断膨胀
着，那么它在最初就应该收缩为一点，这一时刻被称为宇宙大爆炸时刻。宇
宙在这一点的密度无穷大，这一点即为数学上所称的奇点。所有的科学定理
在此奇点处均告失效。这意味着，所有在此时刻之前发生的事件都不能对此
时刻之后的事件产生任何影响，之后发生的事件亦不可能通过科学定理由之
前的事件推导而来。换言之，大爆炸时刻之前与之后的事件之间不存在任何
意义上的因果关系。这样，从时间的物理意义上来说，时间在宇宙大爆炸奇
点处开始。
二、时间终结——黑洞
恒星由于引力作用会不断收缩，向自身坍缩。当恒星的质量大于某个极
限时，泡利不相容原理产生的排斥力不能平衡引力，于是恒星将继续坍塌下
去，形成一个我们称之为“黑洞”的无限致密的区域。黑洞表面的引力如此
之强，以致在黑洞这个区域之内不可能有任何东西，包括光线从该区域内逃
逸而到达远处的观察者。这意味着，如果有一个无畏的航天员和恒星一起向
内坍塌，并每一秒钟向环绕该恒星的宇宙飞船发一信号。如果在11 点整恒星
刚好坍塌到临界半径而形成黑洞，那么，宇宙飞船上的同伴们在收到恒星上
的航天员在10 点59 秒发出的最后一个信号后将再收不到任何信号。时间在
此终止。人们可以将诗人但丁针对地狱入口所说的话恰到好处地用于黑洞，
“从这进去的人必须抛弃一切希望。”
三、上帝是如何启动宇宙的？——宇宙的起源和命运
尽管人们对于宇宙大爆炸后的演化图景有了一定的了解，但依然有些问
题始终困扰着人们。比如，为何在空间和时间的所有地方和方向上表现一致？
为何宇宙以这样接近于介于坍塌和永远膨胀模型的临界膨胀速率开始并膨胀
下去？尽管在大尺度上宇宙是如此一致和均匀，又如何存在局部的无规则
性？或者我们可以问，在宇宙大爆炸的一瞬间是谁决定了宇宙以这种模式演
化至今？霍金在此书中描述了人们在追溯宇宙起源的道路上艰辛的脚步。一
种是以人择原理来解释的叫做紊乱边界条件的宇宙起源。就像著名的一大群
猴子敲打打字机，大部分敲出来的必是废话，但纯粹的偶然也许会使它们敲
出一行莎士比亚的短诗。类似地，在宇宙开端的多种无规则可能中，我们刚
好生活在这样一个光滑一致的区域里，才有可能使我们这样复杂的人类存
在。另一种解释称为“暴涨模型”，它认为宇宙在开始的一瞬间是以加速度
膨胀，在远小于1 秒的时间里宇宙的半径增大了100 万亿亿亿倍（10 的30
次方）。这些理论在不同程序上虽可以解答人们的某些疑惑，但最终不能确
定宇宙的根本的内在秩序。现在人们开始转向寻求一种将量子力学和引力结
合起来的完整而协调的理论，在这种理论指导下，人们找到另一种描述宇宙
起源及命运的模式，即空间一时间只有有限的尺度，却没有奇点作为它的边
界或边缘。空间一时间就像表面积有限而无边界的地球，只不过多了两维。
宇宙的开端曾使人们想像一个造物主来启动这个世界，但是，如果宇宙是完
全自足的、没有边界或边缘，就意味着它既没有开端也没有终结——它就是
存在。那么，还有上帝存身之处么？
四、物理学的统一——终极理论
人类在寻求建立一个适用于宇宙中每一事件的、完整的、协调的统一理
论，在这理论中不需要选取特定的常数去符合事实。寻找这样的一个理论被
称之为“物理学的统一”，是当代物理学的首要目标。爱因斯坦用晚年的大
部分时间进行这项工作，但没有成功。人们将力分为四种，即引力、电磁力、
弱核力和强核力，并已通过所谓的“大统一理论”（GUT）将后三种力统一起
来，而将引力也包括进来的工作正在进行之中。这一工作的难度在于广义相
对论是一个“经典”理论，它没有包含量子理论的不确定性原理，而其它的
部分理论又非常基本地依赖于量子力学。所以必须是将广义相对论和量子力
学结合起来。虽然还存在着一些未解决的问题，但从目前人们研究的“弦理
论”中已看出成功的希望。
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1．第一章简单地介绍了宇宙学发展的历史�