狭义与广义相对论浅说-2

方程（3）和（4）相加（或相减），并为方便起见引入常数a和b代换常数λ和μ，令　　2μλ+=a　　以及 2μλ?=b　　我们得到方程　　????=′?=′bxacttcbctaxx （5）　　因此若常数a和b为已知，我们就得到我们的问题的解。a和b可由下述讨论确定。　　以于K’的原点我们永远有x’=0，因此按照（5）的第一个方程 tabcx=　　如果我们将K’的原点相对于K的运动的速度称为v，我们就有abcv= （6）　　同一量值v可以从议程（5）得出，只要我们计算K’的另一点相对于K的速度，或者计算K的一点相对于K’的速度（指向负x轴）。总之，我们可以指定v为两坐标系的相对速度。　　还有，相对性原理告诉我们，由K判断的相对于K’保持静止的单位量杆的长度，必须恰好等于由K’判断的相对于K保持静止的单位量杆的长度。为了看一看由K观察x’轴上的诸点是什么样子，我们只需要从K对K’拍个“快照”；这意味着我们必须引入t（K的时间）的一个特别的值，例如t=0，对于这个t的值，我们从（5）的第一个方程就得到　　axx=′　　因此，如果在K’坐标系中测量，x’轴上两点相隔的距离为1=Δx，该两点在我们的瞬时快照中相隔的距离就是 ax1=Δ （7）　　但是如果从K’(t’=0)拍取快照，而且如果我们从方程（5）消去t考虑到表示式（6），我们得到　　xcvax??　　?　　??????=′221　　由此我们推断，在x轴上相隔距离1（相对于K）的两点，在我们的快照上将由距离 ?????????=′Δ221cvax （7a）　　表示。　　但是根据以上所述，这两个快照必须是全等的；因此（7）中的必须等于（7a）中的，这样我们就得到 xΔx′Δ　　22211cv?=a （7b）　　方程（6）和（7b）决定常数a和b。在（5）中代入这两个常数的值，我们得到第11节所提出的第一个和第四个议程：　　?????????????=′??=′2222211cvxcvttcvvtxx （8）　　这样我们就得到了对于在x轴上的洛伦兹变换。它满足条件　　222222tcxtcx?=′?′ （8a）　　再把这个结果加以推广，以便将发生在x轴外面的事件也包括进去。此项推广只要保留方程（8）并补充以关系式　　（9） ???=′=′zzyy　　就能得到。　　这样，无论对于坐标系K或是对于坐标系K’，我们都满足了任意方向的光线在真空中速度不变的公设。这一点可以证明如下。　　设在时间t=0时从K的原点发出一个光信号。这个光信号将按照议程　　ctzyx=++=222r　　传播，或者，如果方程两边取平方，按照方程　　022222=?++tczyx （10）　　传播。　　光的传播定律结合着相对性公设要求所考虑的信号（从K’去判断）应用按　　照对应的公式　　或 r tc′=′　　022222=′?′+′+′tczyx （10a）　　传播为了使方程（10a）可以从方程（10）推出，我们必须有　　()2222222222tczyxatczyx?++=′?′+′+′ （11）　　由于方程（8a）对于x轴上的点必须成立，因此我们有1=σ，不难看出，对于1=σ，洛伦兹变换确实满足（11）；因为（11）可以由（8a）和（9）推出，因而也可以由（8）和（9）推出。这样我们就导出了洛伦兹变换。　　由（8）和（9）表示的洛伦兹变换仍需加以推广。显然，在选择K’的轴时是否要使之与K的轴在空间中相互平行是无关重要的。同时，K’相对于K的平动速度是否沿x轴的方向也是无关紧要的。通过简单的考虑可以证明，我们能够通过两种变换建立这种广义的洛伦兹变换，这两种变换就是狭义的洛伦兹变换和纯粹的空间变换，纯粹的空间变换相当于用一个坐标轴指向其他方向的新的直角坐标系代换原有的直角坐标系。　　我们可以用数学方法，对推广了的洛伦庇变换的特性作如下的描述：　　推文了的洛伦兹变换就是用x,y,z,t的线性齐次函数来表示x’,y’,z’,t’,而这种线性齐次函数的性质又必须能使关系式　　2222222222tczyxtczyx?++=′?′+′+′ （11a）　　恒等地被满足。也就是说：如果我们用这些x,y,z,t的线性齐次函数来代换在（11a）左连所列的x’,y’,z’,t’,则（11a）的左边与其右边完全一致。　　二、闵可夫斯基四维空间（“世界”）　　[补充第17节]　　如果我们引用虚量1?ct?代替t作为时间变量，我们就能够更加简单地表述洛伦兹变换的特性。据此，如果我们引入　　ctxzxyxxx??====14321　　对带撇号的坐标系K’也采取同样的方式，那么为洛伦兹变换公式所恒等地满足的必要条件可以表示为：　　（12） 2423222124232221xxxxxxxx+++=′+′+′+′　　亦即通过上述“坐标”的选用，（11a）就变换为这个方程。　　我们从（12）看到，虚值时间坐标x4与空间坐标x1,x2,x3,是以完全相同的方式进入这个变换条件中的。正是由于这个事实，所以按照相对论来说，“时间” x4应与空间坐标x1,x2,x3,以同等形式进入自然定律中去。　　用“坐标” x1,x2,x3,x4描述的四给连续区，谅可夫斯基称之为“世界”，他并且把代表某一事件的点称作“世界点”。这样，三维空间中发生的“事件”按照物理学的说法就成为四维“世界”的一个“存在”。　　这个四维“世界”与（欧几里得）解析几何学的三维“空间”很近似。如果我们在这个“空间”引入一个具有同一原点的新的笛卡儿坐标系（x’1,x’2,x’3）那么x’1,x’2,x’3就是x1,x2,x3的线性齐次函数，并且恒等地满足方程　　232221232221xxxxxx++=′+′+′　　这个议程与（12）完全类似。我们可以在形式上把闵可夫斯基“世界”看作（具有虚恰时间坐标的）四维欧几里得空间；洛伦兹变换相当于坐标系在四维“世界”中的“转动”。　　三、广义相对论的实验证实　　从系统的理论观点来看，我们可以设想经验科学的进化过程是一个连续的归纳过程，理论发展起来并以经验定律的形式简洁地综合概括了大量的个别观察的结果，再从这些经验定律，通过比较推敲，确定普遍定律。根据这种看法，科学的发展有些象编纂分类目录。这好象是一种纯粹经验性的工作。　　但是这种观点绝不能概括整个实际过程；因为这种观点忽视了在严正科学（严格正确的科学，特别指数学一类的科学，——译者注）的发展过程中直观和　　演绎思考所起的重要作用。一门科学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力理论。理论有存在的必要的理由乃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。　　与同一个经验数据的复合相对应的可能会有好几个彼此颇不相同的理论。但就从这些理论得出的、能够加以检验的推论而言，这几种理沦可能是十分一致的，以致难以发现两种理论有任何不一致的推论。例如，在生物学领域中有一个普遍感到兴趣的例子，即一方面有达尔文关于构种通过生存竞争的选择而发展的理论，另一方面有以后天取得的特性可以遗传的假设为基础的物种发展理论。　　我们还有另一个例子说明两种理论的推论是颇为一致的，这两种理论就是牛顿力学和广义相对论。这两种理论是这样的一致，以致从广义相对十导出的能够加以检验的推论而力相对论创立前的物理学所未能导出的，到目前为止我们只能找到少数几个，尽管这两种理论的基本假定有着深刻的差别。下面我们将再一次讨论这几个重要的推沦。还要讨论迄今已经得到的关于这些推论的经验证据。　　（1）水星近日点的运动　　按照牛顿力学和牛顿的引力定律，绕太阳运行的行星围绕大阳（或者说得更正确些，围绕太阳和这个行星的共同重心）描画一个椭圆。在这样的体系中，太阳或者共同重心位于轨道椭圆的一个焦点上，因而在二个行星年的过程中，太阳和行星之间的距离由极小增为极大；随后，减至极小。如果我们在计算中不应用牛顿定律，而引进二个稍有不同的引力定律，我们就会发现，按照这个新的定律，在行星运动的过程中。太阳和行星之间的距离仍表现出周期性的变化；但在这个情况下，太阳和行星的连线（向径）在这样的一个周期中（从近日点一离太阳最近的点一到近日点）所扫过的角将不是360度”。因而轨道曲线将不是一个闭合曲线，随着时间的推移轨道曲线将充满轨道平面的一个环形部分，亦即分别以太阳和行星之间的最大距离和最小距离为半径的两个圆之间的环形部分。　　按照广义相对论（广义相对论当然与牛顿的理论不同），行星在其轨道上的运动应与牛顿一开普勒定律有微小的出入，即从一个近日点走到下一个近日点期　　间，太阳一行星向径所扫过的角度比对应于公转整一周的角度要大，这个差的值由　　()22223124ecTa?π+　　决定。　　（注意：公转整一周对应子物理学中惯用的角的绝对量度中的2π角；从一个近日点到下一个近日点期间，太阳一行星向径所扫过的角大于2π角，上式表出的量值就是这个差。）在此式中，a表示椭圆的半长轴，e是椭圆的偏心率，c是光速，T是行星公转周期。我们的结果也可以表达如下：按照广义相对论，椭圆的长轴绕太阳旋转，旋转的方向与行星的轨直运动方向相同。按照理论的要求，这个转动对于水星而言应达到每世纪43”（角度），但是对于我们的太阳系的其他行星而言，这个转动的量值应该是很小的，是必然观测不到的。（特别是由于下一颗行星——金星——的轨道几乎正好是一个圆，这样就更加难于精确地确定近日点的位置）　　事实上天文学家已经发现，按照牛顿的理论计算所观测的水星运动时所达到的精确度是不能满足现时能够达到的观测灵敏度的。在计入其余行星对水星的全部摄动影响以后，发现（勒韦里耶于1859年，牛柯姆[Newcomb]于1895年）仍然遗留下一个无法解释的水星轨道近日点的移动问题，此种移动的量值与上述的每世纪+43”（角度）并无显著的差别。此项经验结果的测不准范围只达到几秒。　　（2）光线在引力场中的偏转　　在第22节已经提到，按照广义相对论，一道光线穿过引力场时其路程发生弯曲，此种变曲情况与抛射一物体通过引力场时其路发生弯曲相似。根据这个理论，我们应该预期一道光线经过一个天体的近傍时将发生趋向该天体的偏转。对于经过距离太阳中心△个太阳半径处的一道光线而言，偏转角（a）应等于 Δ′′=7.1α　　可以补充一句，按照理论，这个偏转的一半是由于太阳的牛顿引力场造成的；另一半是太阳导导致的空间几何形变（“变曲”）造成的。　　这个结果可以在日全食时对恒星照象从实验上进行检验。我们之所以必须等　　待日全食的唯一原因是由于在所有其他的时间里大气受阳光强烈照射以致看不见位于太阳圆面附近的恒星。所预言的疚可以清楚地从图5中看到。如果没有太阳（S），一颗实际上可以视为位于无限远的恒星，由地球上观测，将在方向D1看到。但是由于来自恒星的光经过太阳时发生偏转，这颗恒星D2看到，亦即这颗恒星的视位置比它的真位置离太阳的中心更远一些。　　在实践中检验这个问题是按照下述方法进行的。在日食时对太阳附近的恒星拍照。此外，当太阳位于天空的其他位置时，亦即在早几个月或晚几个月时，对这些恒星拍摄另一张照片。与标准照片比较，日食照片上恒星的位置应沿径向外移（离开太阳的中心），外移的量值对应于角a。　　英国皇家学会和皇家天文学会对这个重要的推论进行了审查，我们深为感激。这两个学会没有被战争和战争所引起的物质上和精神上的种种困难所挫折，他们装备了两个远征观测队——一个到巴西的索布拉尔（Sobral），一个到西非的比林西卑岛（principe）——并派出了英国的几位最著名的天文学家[艾丁顿、柯庭汉（cottingham）、克罗姆林（crommelin）、戴维逊（Davidson）]，拍摄了1919年5月29日的日食照片。预料到在日食期间拍摄的恒星照片与其他用作比较的照片之间的相对差异只有一毫米的百分之几。因此，为拍报照片所需的照片之间的相对差异只有一毫米的百分之几。因此，为拍摄照片所需的调准工作以及随后对这些照片的量度都需要有很高的准确度。　　测量的结果十分圆满地证实了这个理论。观测所得和计算所得的恒星位置偏差（以秒计算）的直角分量有如下表所列：　　第一坐标　　第二坐标　　恒星号码　　观测值　　计算值　　观测值　　计算值　　11　　5　　4　　3　　6　　10　　2　　-0.19　　+0.29　　+0.11　　+0.20　　+0.10　　-0.08　　+0.95　　-0.22　　+0.31　　+0.10　　+0.12　　+0.04　　+0.09　　+0.85　　+0.16　　-0.46　　+0.83　　+1.00　　+0.57　　+0.35　　-0.27　　+0.02　　-0.43　　+0.74　　+0.87　　+0.40　　+0.32　　-0.09　　（3）光谱线的红向移动　　在第23节中曾经表明，在一个相对于伽利略系K而转动的K’系中，构造完全一样而且被认定为相对于转动的参考物体保持静止的钟，其走动的时率与其所在的位置有关。现在我们将要定量地研究这个相倚关系。放置于距圆盘中心r处的一个钟有一个相对于K的速度，这个速度由　　rvω=　　决定，其中ω表示圆盘K’ 相对于K的转动角速度。设v0表示这个钟相对于K保持静止时，在单位时间内相对于K的滴嗒次数（这个钟的“时率”），那么当这个钟相对于K以速度v运动、但相对于圆盘保持静止时，这个钟的“时率”，按照第12节，将由　　2201cv?vv=　　决定，或者以足够的准确度由　　??????????=220211cvvv　　决定。此式也可以写成下述形式：　　??????????=2112220rcvvω　　如果我们以φ表示钟所在的位置和圆盘中心之间的离心力势差，亦即将单位质量从转动的圆盘上钟所在的位置移动到圆盘中心为克服离心力所需要作的功（取负值），那么我们就有　　222rωφ?=　　由此得出　　??????+=201cvφv　　首先我们从此式看到，两个构造完全一样的钟，如果它们的位置与圆盘中心的距离不一样，那么它们走动的时率也不一样。由一个随着圆盘转动的观察者来看，这个结果也是有效的。　　现在从圆盘上去判断，圆盘系处在一个引力场中，而引力场的势为φ，因此，　　我们所得到的结果对于引力场是十分普遍地成立的。还有，我们可以将发出光谱线的一个原子当作一个钟，这样下述陈述即得以成立：　　一个原子吸收的或发出的光的频率与该原子所处在的引力场的势有关。　　位于一个天体表面上的原子的频率与处于自由空间中的（或位于一个比较小的天体的表面上的）同一元素的原子的频率相比要低一些。这里 rMK?=φ ，其中K是牛顿引力常数，M是天体的质量，因此，在恒星表面上产生的光谱线与同一元素在地球表面上所产生的光谱线比较，应发生红向移动，移云贵的量值是 rMcKvvv?=?200　　对于太阳而言，理沦预计的红向移动约等于波长的百万分之二。对于恒星而言，不可能得出可靠的计算结果，因为质量M和半径r一般都是未知的。　　此种效应是否存在还是一个未决问题，”目前（1920年）天文学家正在以很大的热情从事工作以求这个问题的解决。由于对于太阳而言此种效应很小，因而此种效应是否存在难以作出判断。格雷勃（Gtebe〕和巴合姆（Bachem）根据他们自己以及艾沃舍德（Evrershed）和史瓦兹希耳德（Schwarzschild）对氰光谱带的测量，认为此种效应的存在差下多已经没有疑问；而其他的研究人员，特别是圣约翰(St.John)，根据他们的测量结果，得出了相反的意见。　　对恒星进行的统计研究指出）光谱线朝向折射较小的一端的乎均位移肯定是存在的；但是，这些位移实际上是否由引力效应导致的，直到目前为止，根据对现有的数据的研究，还不能得出任何确定的结论。在艾·傅峦德里希（E.Freundlich）写的题为《广义相对论的验证》的一篇论文中[见柏林Julius Springer出版的《自然科学》（ie Naturwissenschaften）1919年第35期第520页]，已将观测的结果收集在一起，并从我们这里所注意的问题的角度对这些结果进行了详尽的讨论。　　无论如何在未来的几年中将会得出一个确定的结论。如果引力势导致的光谱线红向移动并不存在，那么广义相对论就不能成立。另一方面，如果光谱线的位移确实是引力势引起的：那么对于此种位移的研究将会为我们提供关于天体的质量的重要情报。　　【英文版附注】光谱线的红向位移已为亚当斯（Adams）于1924年通过时　　天狼星的密度很大的伴星的观测确定地予以证实，无狼垦伪伴里所产生的这种效应要比太阳产生的这种效应大三十倍左右。　　罗伯特·伍·罗森　　四、以广义相对论为依为依据的空间结构　　[补充第32节]　　自从这本小册子的第一版出版以来，我们对于宇宙太空的结构的认识（“宇宙论问题”）已服重要的发展，即使是关于这个问题的一本通俗著作，也是应该提到这个重要的发展的。　　关于这个问题我原来的论述系基于两个假设：　　（1） 整个宇宙空间中的物质有一个平均密度，这个平均密度处处相同而且不等于零。　　（2） 宇宙空间的大小（“半径”）与时间无关。　　按照文义相对论，这两个假设已证明是一致的，但只是在场方程中加上一个假设项之后才能如此，而这样的一项不是理也并不是很自然的（“场方程的宇宙项”）。　　假设（2）当时在我看来是不可避免的，因为我当时认为，如果我们离开这个假设，就要陷入无休止的空想。　　但是，早在二十年代，苏联数学家夫里德曼（Friedman）就已经证明，从纯粹的理论观点看来，作另一种不同的假设是自然的。他看到，如果决心舍弃假设（2）那么在引力场方程中不引入这个不大自然的宇宙项对于保留假设（1）仍是可能的。亦即原来的场方程可以有这样的一个解，其中“世界半径”依赖于时间（膨胀的宇宙空间）。在这个意义上我们可以说，按照夫里德曼的观点，这个理论要求宇宙空间具有膨胀性。　　几年以后哈勃（Hubble）对河外星云（“银河”）的专门研究证明，星云发出的光谱线有红向位移，此红向位移随着星去的距离有规则地增大。就我们现有的知识而言，这种现象可以依照多普勒原理解释为太空中整个恒星系的膨胀运动——按照夫里德曼，这是引力场议程所要求的，因此，在某种程度上可以认为哈勃的发现是这个理论的一个证实。　　但是这里确实引起了一个不可思议的困难局面。如果将哈勃发现的银河光谱线位移解释为一种膨胀（从理论的观点看来这是没有多少疑问的），那么，依此推断，此种膨胀“仅仅”起源于大约十亿年以前；而按照天文物理学，各个个别恒星和恒星系的发生和发展很可能需要长得多的时间。如何克服这种矛盾，仍毫无所知。　　我还需要提一下，我们还不能从宇宙空间膨胀理论以及天文学的经验数据得出关于（三维）宇宙空间的有限性或无限性的结论；而原来的宇宙空间“静态”假设则导致了宇宙空间的闭合性（有限性）。　　五、相对论与空间问题　　牛顿物理学的特点是承认空间和时间乃是和物质一样地有其独立而实际的存在，这是因为在牛顿的运动定律中出现了加速度的观念。但是，按照这一理论，加速度只可能指“相圣于空间的加速度”。因此，为了使牛顿运动定律中出现的加速度能够被看作是一个具有意义的量，就必须把牛顿的空间看作是“静止的”，或者最少是“非加速的”。对于时间而言，情况完全相同，时间当然也同样与加速度的要领有关。牛顿本人以及与他同时代的有识之士都感到，把空间本身和空间的运动状态同样地说成为具有物理实在性是不很妥当的；但是，为了使力学具有明确的意义，当时没有别的办法。　　要众把一般的空间，尤其是一无所有的空间，视为具有物理实在性，的确是一种苛刻的要求，自远古以来哲学家们就已一再拒绝作这样的假设。笛卡儿曾大体上按照下述方式进行论证：空间与广延性是同一的，但广延性是与物体相联系的；因此，没有物体的空间是不存在的。亦即一无所有的空间是不存在的。这个论点的弱点主要有如下述。文延性概念起源于我们能把固体铺展开来或拼靠在一起的经验，这一点当然是对的。但不能由此得出结论说，如果某此事例本身不是构成广延性概念的源由，这个概念就不可能适用于这些事例。照这样来推广概念是否合理，可以间接地由其对于理解经验结果时所具有的价值来证明。因此，关于广延性的要领仅能适用于物体的断言，就其本身而论肯定是没有根据的。但是以后我们将会看到，广义相对论绕了一个大弯仍旧证实了笛卡儿的概念。使笛卡儿得出他的十分吸引人的见解的，肯定是这样的感觉，即只要不是万不得已的情　　况，我们不应该把象空间这一类无法“直接体验”的东西视为具有实在性。　　以我们通常的思想习惯为基础来考虑，空间观念或这一观念的必要性的心理起源，远非表面看来那样明显。古代的几何学家所研究的是概念上的东西（直线、点、面），并没有真正研究到空间本身，象后来在解析几何学上所做到的那样。但是，空间观念仍可以从某些原始经验得到一些启示。例如：假定有一个已经造好了的箱子。我们可以按照某种方法把物体排列在箱子里面，把它装满。这种排列物体的可能性是“箱子”这个物质客体的属性，是随着箱子而产生的，也就是随着被箱子“被包围着的空间”而产生的。这个“被包围着的空间”因不同的箱子而异，人们很自然地认为这个“被乌黑着的空间”因不同的箱子而异，人们很自然地认为这个“被包围着的空间”在任何时刻都不依赖于箱子里面真有物体存在与否。当箱子里面没有物体时，箱子的空间看起来似乎是“一无所有的”。　　到目前为止，我们的空间概念是同箱子联系在一起的。但是，我们知道，使箱子空间具有容纳物体的可能性并不取决于箱壁的厚薄如何。能不能把箱壁的厚度缩减为零而又使这个“空间”不致因此而消失呢？显然这种求极限的方法是很自然的。这样，在我们的思想中就只剩下了没有箱子的空间，一个本身自然存在原空间；虽然，如果我们把这个要领的起源忘掉的话，这个空间似乎还是很不实在。人们能够了解，把空间看作与物质客体无关且可以脱离物质而存在的东西，是和笛卡儿的论点相反的。（但是这并没有防碍他在解析几何学中把空间作为一个基本概念来处理。）当人们指出水银气压计中有真空存在时，肯定就完全驳倒了所有持有笛卡儿见解的人决。但是不可否认，甚至在这初始阶段，空间的概念或者空间被看作是独立而实在的东西，已带有某些不能令人满意之处了。　　用什么方法能够把物体装空间（例如箱子），是三维欧几里得几何学的课题。欧几里得几何学的公理体系很容易使人迷惑，使人忘记它所讨论的仍是可以成为现实的东西。　　如果空间概念是按照上述方式形成的，如果从“填满”箱子的经验推论下去，那么这个空间根本上是一个有界的空间。但是，这这种限制看来并不是必要的，因为显然我们总可以用一个比较大的箱子把那个比较小的箱子装进去。这样看来，空间又好象是无界的。　　在这里我不准备讨论关于三维性质的和欧几里得性质的空间概念如何能溯　　源于比较原始的经验。我想首先从其他角度来讨论一下空间概念在物理学思想发展过程中所起的作用。　　当一个小箱子s在一个大箱子S的全空空间中处于相对静止的状态时，s的全空空间就是S的全空空间的一部份，而且把s和S的全空空间一起包括进去的同一个“空间”，既属于箱子s。但是，当s相对于S运动时，这个概念就不那么简单了。人们就要认为s总是乌黑判 同一空间，但其所乌黑的S的一部分空间则是可变的。这样就有必要认定每一个箱子各有其特别的、无界的空间，并且有必要假定这两个空间彼此作相对运动。　　在人们注意到这种复杂情况以前，空间看来好象是物体在其中游来游去的一种无界的媒质或容器。但是现在必须记得，空间有无限多个，这些空间彼此作相对运动。认为空间是客观存在的、是不依赖于物质的这种概念系属于现代科学兴起以前的思想。但是关于存在着无限多个，这些空间彼此作相对运动。认为空间是客观存在的、是不依于物质的这种概念系属于现代科学兴起以前的思想。但是关于存在着无限多个作相对运动的空间的观念则是现代科学兴起以后的思想。后一观念在逻辑上的确是无可避免的，但是这种观念甚至在现代科学思想中也远未起过重要的作用。　　关于时间概念的心理起源又是怎样的呢？这个概念无疑是与“回想”相联系的，而且也与感觉经验和对这些经验的回忆这两者之间的辨别相联系。感觉经验与回忆（或简单重现）之间的辨别是否在心理上由我们直接感到的呢？这一点就其本身而言是有疑问的。每一个人都有过这样的经验，就是曾经怀疑某件事是通过自己的感官真正经验过的呢，还是只不过是一个梦。在这两种可能性之间进行辨别的能力大概最初是脑子要整理出次序来的一种活动的结果。　　如果一个经验是与一个“回忆”联系在一起的，那么就认为这个经验与“此刻的经验”相比是“较早的”。这是一种用于回忆经验的排列概念次序的原则，而贯彻这个原则的可能性就产生了主观的时间概念，亦即关于个人经验的排列的时间概念。　　使时间要领具有客观意义是什么意思呢？我们举一个例子。某甲（“我”）有这样的经验：“天空正在闪电”。与此同时，某甲还经验到某乙的这样的一种行为，某甲可以把这种行为与他本身关于“天空正在闪电”的经验联系起来。这样某甲　　就把“天空正在闪电”的经验与某乙联系起来。对于某甲来说，他认为其他的人也参与了“天空正在闪电”的经验。“天空正在闪电”廉洁不再被解释为一种个人独有的经验，而是解释为其他人的经验（或者最终解释为仅仅是一种“潜在的经验”）。这样就产生了这样的解释：“天空正在闪电”本来是进入意识中的一个“经验”，而现在也可以解释为一个（客观的）“事件”了。当我们谈到“实在的外部世界”时，所指的就是所有事件的总和。　　我们已经看到，我们感到必须为我们的经验规定一种时间排列，大体上如下所述。如果β尺于α，而γ又迟于β，则γ也尺于α（“经验的序列”）。对于我们已经与经验联系起来的“事件”而言，这方面的情况又是如何的呢？乍看起来似乎显然可以假定事件的时间排列是存在的，这种排列与经验 的时间排列是一致的。一般来说，人们已不自觉地作出了这个假定，直到产生疑问为止。为了获得客观世界的观念，还需要有另一个辅助概念：事件不仅确定于时间，而且也确定于空间。　　在前几段中我们曾试图描述空间、时间和事件诸概念在心理上如何能与经验联系起来。从逻辑上说业，这些概念是人类智力的自由创造物，是思考的工具，这些概念能把各个经验相互联系起来，以便更好地考察这些经验。要认识这些基本概念的经验起源，就应该弄清楚我们实际上在多大的范围内受这些概念的约束。这样我们就可以认清我我们所具有的自由；要在必要的时间合理地利用这种自由总是相当困难的。　　这里关于空间-时间-事件诸概念（我们将把这些概念螽 称为“类空”概念，以有别于心理学方面的要领的心理起源方面，我们还要作一些必要的补充。我们曾经利用箱子以及在箱子里面排列物质客体的例子把空间概念与经验联系起来。因此，此种概念的形成就已经以物质客体（例如“箱子”）的概念为前提。同样，对于客观的时间要领的形成人也起着物质客体的作用。所以，依我看来，物质客体概念的形成必须先于我们的时差空概念。　　所有这些类空概念，与心理学方面的痛若、目标和目的等一类的概念一样，同属于现代科学兴起以前的思想。目前物理思想的特点，和整个自然科学思想的特点一样，是在原则上力求完全用“类空”概念来说明问题，力求借助于这些概念来表述一切具有定律形式的关系。物理学家设法把颜色和音调归之于振动；生　　理学家设法把思想和痉归之于神经作用。这样就从事件存在的因果关系中消除了心理因素，这种心理因素从而在任何情况下都不构成因果关系中的一个独立环节。目前“唯物主义”一词无疑正是指的这种观点，亦即认为完全用“类空”要领来理解一切关系在原则上是可能的。（因为“物质”已失去了作为基本概念的地位。）　　为什么必须把自然科学思想中的基本观念从柏拉图的奥林巴斯天界上[希腊神话传说奥林巴斯山（在希腊北部）是太古时代希腊诸神居住之处，这里指很大的架势而言。——译者注]拖下来并设法把它们的世俗血统揭发出来呢？答曰为了使这些观念摆脱与世隔绝的禁令，从而能够在构成观念或要领方面获得更大的自由。休谟和马赫首先提出这种中肯的想法，他们在这方面具有不配的功劳。　　科学从科学发展前的思想中将空间、时间和物质客体（其中重要的特例是“固体”）的概念接收过来，加以修正，使之更加确切。在这方面第一个重要的成就是欧几里得几何学的发展。我们决不应该只看到欧几里得几何学的公理体系而看不到它的经验起源（把固体铺展开来或拼靠在一起的可能性）。具体说来三维性和欧几里得特性都是起源于经验的（空间可以完全用结构相同的“立方体”充满）。　　由于发现了刚性的物体是不存在的，使得空间概念更加微秒了。一切物体都弹性形变，它们的体积随着温度的变化而改变。因此，几何结构（其全等的可能性由欧几里得几何学来描述）的表示不能脱离物理概念。但是由于物理学毕竟还须假手于几何学始能建立其中的一些概念，因而几何学的经验性内容只能就整个物理学的体制来陈述和检验。　　关于这个空间概念还不能忘却原子论及其对物质的有限的可分割性的概念；因为比原子还小的空间是无法量度的。原子论还迫使我们在原则上放弃认为可以清楚地和静止地划定固体界面的这种观念。严格说来，甚至在宏观领域中，对于相互接触的固体的可能位形而言，精确的定律也是不可能有的。　　尽管如此，还是没有人想放弃空间概念。因为在自然科学的最圆满的整个体系，中，空间概念看来是不可缺少的，在十九世纪，惟有马赫曾经认真地考虑过舍弃空间概念，而用所有质点之间的瞬时距离的总和的要领来代替它。（他这样做是为了试图求得对惯性的满意的理解。　　（1）场　　在牛顿力学中，空间和时间起着双重作用。第一，空间和时间起着所发生的物理事件的载体或框架的作用，相对于此载体或框架，事件是由其空间坐标和时间来描述的。原则上物质被看作是由“质点”所组成，质点的运动构成物理事件。倘若我们要把物质看作是连续的，我们只能在人们不愿意或不能够描述物质的分立结构的情况下暂时作这样的假定，在这种情况下，物质的微小部分（体积元）同样可以当作质点来处理；至少我们可以在只考运动而不考虑此刻不可能或者没有必要归之于运动的那些事件（例如温度变化、化学过程）的范围内照这样来处理。空间和时间的第二个作用是当作一种“惯性系”。在可以设想的所有参考系中，惯性系被认为具有这样的好处，就是惯性定律对于惯性系是有效的。　　这里，主要之点是：人们曾设想，不依赖于主观认识的“物理实在”是由空时（为一方）以及与空时作相对运动的永远存在的质点（为另一方）所构成（至少在原则上是这样）。 这个关于空时独立存在的观点，可以用这种断然的说法来表达，如果物质消失了，空时本身（作为表演物理事件的一种舞台）仍将依然存在。　　理论的发展打破了这种观点。这个发展最初似乎与空时问题毫下相干。这个发展就是再现了场的概念以及最后在原则上要用这个概念来取代粒子（质点）观念的趋势。在经典的体制中，场的概念是在物质被看作连续体的情况中作为一种辅助性的概念而出来的。命名如，在考虑固体的热传导时，物体的状态是由物体每一点在每一个确定时刻的温度来描述的。在数学方法上，这就是意味着将温度T表示为温度场，亦即表示为空间坐标的时间t的一个数学表示式（或函数）。热传导定律被表述为一种局部关系（微分方程），基中包括热传导的所有特殊情况。这里，温度就是场的概念的一个简单的例子。这是一个量（或量的复合），是坐标和时间的函数。另一个例子就是对液体运动的描述。在每一个点上每一时刻都有一个速度，其值即由该速度对于一个坐标系的轴的三个“分量”来加以描述（矢量）。这里，在每一个点的速度的各个分量（场分量）也是坐标（x,y,z）和时间（t）的函数。　　上面所提到的场的特性是它们只存在于有质之中；它们仅仅用来描述这种物质的状态。按照场概念的历史发展看来，没有物质的地方就不可能有场存在。但　　是，在十九世纪的头二十五年中，人们证明，如果把光看作一种波动场——与弹性固件的机械振动场完全相似，那么光的士涉和运动现象就能够解释得极为清楚。因此人们就感到有必要引进一种在没有有质物质的情况下也能存在于“一无所有的空间”中的场。　　这一情况产生了一个自相矛盾的局面。因为，按照其起源，场概念似乎仅限于描述有质全内部的状态。由于人们确信每一种场都应看作此场概念只应限于描述有质体内部的状态这一点就显得更加确切了。因此人们感到不得不假定，甚至在一向被认为是一无所有的空间中也到处存在着某种形式的物质，这种物质称为“以太”。　　将场概念从场必须有一个机械载体与之相联系的假定中解放出来，这在物理思想发展中是在心理方面最令人感到兴趣的事件之一。十九世纪下半叶，从法拉第和麦克斯韦的研究成果中越来越清楚地看到，用场描述电磁过程大大胜过了以质点的力学概念为基础的处理方法。由于在电动力学中引进场的概念，麦克斯韦成功地预言了电磁波的存在，由于电磁波与光波在传播速度方面是相等的，它们在本质上的同一性也是无可怀疑的了。因此、光学在原则上就成为电动力学的一部分，这个巨大成就的一个心理效果是，与经典物理学的机械唯物论体制相对立的场概念逐渐赢得了更大的独立性。　　但是最初人们还是认为理所当然地必须把电磁场解释为以大的状态，并且极力设法把这种状态解释为机械性的状态。由于这种努力总是遭到失败，科学界才逐渐接受了放弃此种机械解释的主张。然而人们仍然确信电磁场必然是以大的状态，十九世纪和二十世纪之交，情况就是这样。　　以太学说带来了一个问题：相对于有质体而言，以大的行为从力学观点看来是怎样的呢？以太参与物体的运动呢、还是以太各个部分彼此相对地保持静止状态呢？为了解决这个问题，人们曾经做了许多巧妙的实验，这方面应提到下列两个重要事实：由于地球周年运动而产生的恒星的“光行差”和“多普勒效应”——即恒星相对运动对其发射到地球上的光的频率上的影响、（对已知的发射频率而言）．对于所有这些事实和实验的结果，除了迈克耳孙上莫雷实验以外，洛沦兹根据下述假定都作出了解释。这个假定就是以太不参与有质体的运动，以太各个部分相互之间完全没有相对运动。这样，以大看来好象就体现一个绝对静止的　　空间。但是洛伦兹的研究工作还取得了更多的成就。洛伦兹根据下述假定解释了当时所知道的在有质体内部发生的所有电磁和光学过程。这就是，有质物质对于电场的影响一以及电场对于有质物质的影响一完全是由于：物质的组成粒子带有电荷，而这些电荷也参与了粒子的运动，洛伦兹证明了，迈克耳孙-莫雷实验所得出的结果至少与以太处于静止状态的学说并不矛盾。　　尽管肩有这些辉煌的成就，以大学说的这种光景仍然不能完全令人满意，其理由有如下述：经典力学（无可怀疑，经典力学在很高的近似程度上是成立的）告诉我们，一切惯性系或惯性“空间”对于自然律的表达方式都是等效的；亦即从一惯性系过渡到另一惯性系，自然律是不变的。电磁学和光学实验也以相当高的准确度告诉我们同样的事实。但是，电磁理论基础却告诉我们，必须优先选取一个特别的惯性系，这个特别的惯性系就是静止的光以太，电磁理论基础的这一种观点实在非常不能令人满意，难道不会有也简经典力学那样去支持惯性系的等效性（狭义相对性原理）的修正理论么？　　狭义相对论囱答了这个问题。狭义相对论从麦克斯韦-洛伦兹理论中采角了关字在真空中光速保持恒定的假定。为了使这个假定与惯性系的等效性（狭义相对性原理）相一致，必须放弃“同时性”，带有绝对性质的观念；此外，对于从一个惯性系过渡到另一个惯性系，必须引用时间和全向坐标的洛伦兹变换：狭义相对论的全部内容包括在下述公设中：自然界定律对千洛伦兹变换是不变的：这个要求的重要实质在于它用一种确定的方式限定了所有的自然律。　　狭义相对论对于空间问题的观点如何？首先我们必须注意不要认为实在世界的四维性是狭义相对论第一次提出的新看法。甚至早在红典物理学中，事件就由四个数来确定）即三个空间坐标和一个时间坐标；因此全部物理“事件”被认为是寓存于一个四维连续流形中的。但是，根据经典力学，这个四维连续区客观地分割为一维的时间和三维的空间两部分，而只有三维空间才存在着同时的事件。一切惯性系都作了同样的分割。两个确定的事件相对于一个惯性系的同时性也就含有途向个事件相对手一切惯性系的同时性。我们说经典力学的时间是绝对的就是这个意思。狭义相对论的合法则与此不同。所有与一个选定的事件同时的诸事件就一个特定的惯性系而言确实是存在的，但是这不再能说成为与惯性系的选择无关的了的了。于是四维连续区不再能够客观地分割为两个部分，而是整个　　连续区包含了所有同时事件；所以“此刻”对于具有空间广延性的世界失去了它的客观意义。由于这一点，如果要表未客观关系的意义而不带有不必要的国袭的任意性话，那未空间和时间必须看作是具有客观上不可分割性的一个四维连续区。　　狭义相对论揭示了一切惯性系的物理等效性，因而也就证明了关于静正的以大的假设是不能成立的、因此必须放弃将电磁场看作物质载体的一种状态的观点。这样，场就成为物理描述中不能再加分解的基本概念，正如在牛顿的理论中物质概念不能再加分解一样。　　到目前为止，我们一直把注意力放在探讨狭义相对论在哪一方面修改了空时概念，现在我们来看看狭义相对论从经典力学吸取了哪些基本观念。在狭义相对论中，自然律也是仅在引用惯性系作为空时描述的基础时才是有效的。惯性原理和光速恒定原理只有对于一个惯性系才是有效的。场定律也是只有对于惯性系才能说是有意义和有效的。因此，如同在经典力学中一样，在狭义相对论中，空间也是表述物理实在的一个独立部分。如果我们设想把物质和场移走，那么惯性空间（或者说得更确切些，这个空间连同联系在一起的时间）依然存在。这个四维结构（闵可夫斯基空间）被看作是物质和场的载体。各惯性空间连同联系在一起的时间，只是由线性起来的一种特选的四维坐标系。由于在这个四维结构中不再存在着客观地代表“此刻”的作一部分，事物的发生和生成的概念并不是完全用不着了，而是更为复杂化了。因此，将物理实在看作一个四维存在，而不是象直到目前为止那样，将它看作一个三维存在的进化，似乎更加自然些。　　狭义相对论的这个刚性四维空间，在某种程度上类似于洛化兹的刚性三维以太，只不过它是四维的罢了。对于狭义相对论而言，下述陈述也是合适的：物理状态的描述假设了空间是原来就已经给定的，而且是独立存在的。因此，连狭义相对论也没有消除笛卡儿对“空虚空间”是独立存在的或者竟然是先验性存在的这种见解所表示的怀疑这里作初步讨论的真正目的就是要说明广义相对论在多大的程度上解决了这些疑问。，　　（2）广义相对论的空间概念　　广义相对论的起因主要是力图对惯性质量和引力质量的同等性有所了解。我　　们从一个惯性系S1来说起，这个惯性系的空间从物理的观点盾来是空虚的。换句话说，在所考虑的这部分空间中，既没有物质（按照通常的意义），也没有场（按照狭义相对论的意义）。设有另一个参考系S2相对于S1作匀加速运动。这时候S2就不是一个惯性系。对于S2来说，每一个试验物体的运动都具有一个加速度，这个加速度与试验物体的物理性质和化学性质无关。因此，相对于S2，最少就第一级近似而言，就存在着一种与引力场无法区分的状态。因此，下述概念是与可观察的事实相符的：S2也可以相当于一个“惯性系”；不过相对于S2又另存在匀）引力场（关于这个引力场的起源，这里不必去管它）。因此，当讨论的体系中包括引力场时，惯性系就失去了它本身的客观意义（假定这个“等效原理”可以推广到参考系的任何相对运动）。如果在这些基本观念的基础上能够建立起一个合理的理论，那么么这个理论本身将满足惯性质量与引力质量相等的事实，而这个事实是已被经验所充分证实的。　　从四维的观点来考虑，四个坐标的一种非线性变换对应于从S1到S2的过渡。这里产生了一个问题：哪一种非线性变换是可能的，或者说，洛伦兹变换是怎样推广的？下述考虑对于回答这个问题具有决定性的意义。　　设早先的理论中的惯性系具有这个性质：坐标差由固定不移的“刚性”量杆测量，时间差由静止的钟测量。对第一个假定还须补充以另一个假定，即对于静止的量杆的相对展开和并接而言，欧几里得几何学关于“长度”的诸定理是成立的。这样，经过初步的考虑，就可以从狭义相对论的结果得出下述结论：对于相对于惯性系（S1）作加速运动的参考系（S2）而言，对坐标标作此种直接的物理解释不再是可能的了，但是，如果情况是这个的话，坐标现在就只能表示“邻接”的级或秩，也就是只能表示空意愿 维级，但一点也不能表示空意愿 度规性质。这样我们就意识到从已有的变换推广到任意连续变换的可能性。而这里就已具有广义相对性原理的含义：“自然律对于任意连续的坐标变换必须是协变的”。这个要求（连带着自然律应具有最大可能的逻辑简单性的要求）远比狭义相对性原理更为有力地限制了一切自然律。　　这一系列的观念主要是以场作为一个独立的要领为基础的。因为，对于S2有效的情况被解释为一种引力场，而并不问其是否存在着产生这个引力场的质量。借助于这一系列的观念，还可以理解到为什么纯引力场定律比起一般的场（例　　如在有电磁场存在的时候）的定律来，它与广义相对论有更为直接的联系。也就是说，我们有充分的理由假定，“没有场”的闵可夫斯基空间表示自然律中可能有的一种特殊情况，事实上这是可以设想的最简单的特殊情况。就其度规性质而言，这样的空间的特性可由下述的方式表示：等于一个三维“类空”截面上无限接近的两点的空间间隔的实测值（用单位标准长度量度）的平方（毕达哥拉斯定律）；而dx232221dxdxdx++4(x1,x2,x3)的两个事件的时间间隔（以适当的计时标准量度）。这一切只不过是意味着将一种客观的度规意义赋予下面这个量　　dS （1） 242322212dxdxdxdx?++=　　这点也不难借助于洛伦兹变换来予以证明。从数学观点上来说，这个事实对应于这个条件：dS2对于洛伦兹变换是不变的。　　如果按照广义相对性原理的意义，令这个空间（参照方程（1））作一任意连续的坐标变换，那么这个具有客观意义的量dS在新的坐标系中即以下列关系式表示：　　dS kiikdxdxg=2　　此式的右边要对指标I和k从11，12，?直到44的全部组合求和。这里诸gik项也并不是新坐标的任意函数，而是必须正好使形式（la）经过四个坐标的连续的变换仍能还原为形式（1）的这样一类函数。为了使这一点成为可能，诸函数gik必须满足某些普遍协变条件方程，这些方程是在建立广义相对论以前半个多世纪时由黎曼导出的（“黎曼条件“）。按照等效原理，当诸函数gik满足黎曼条件时，（la）就以普遍协变形式描述了一种特殊的引力场。　　由此推论，当黎曼条件被满足时，一般的纯引力场的定律即必然被满足；但这个定律必然比黎曼条件弱或限制得较少。这样，纯引力的场定律实际上即可完全确定。这个结果不想在这里详加论证。　　现在我们已有可能来考察一下，对空间概念要作多么大的修改才能过渡到广义相对论去。按照经典力学以及按照狭义相对论，空间（空时）的存在不依赖于物质或场。为了能够描述充满空间并依赖于坐标的东西，必须首先设想空时或惯性系连同其度规性质是已经存在的，否则，对于“充满空间的东西”的描述就没有意义。而根据广义相对论，与依赖于坐标的“充满空间的东西”相对立的空间　　是不能脱离此种“充满空间的东西”而独立存在的。这样，我们知道，一个纯引力场是可以用从解引力方程而得到的gik（作为坐标的函数）来描述的。如果我们设想将引力场亦即诸函数gik除去，剩下的就不是（1）型的空间，而是绝对的一无所有，而且也不是“拓扑空间”。因为诸函数gik不仅描述场，而且同时也描述这个流形的拓扑和度规结构性质。由广义相对论的观点判断，（1）型的空间并不是一个没有场的空间，而是gik场的一种特殊情况，对于这种特殊情况，诸函数gik——指对于所使用的坐标系而言（坐标系本身并无客观意义）——具有不领带于坐标的值。一无所有的空间，亦即没有场的空间，是不存在的。空时是不能独立存在的，只能作为场的结构性质而存在。　　因此，笛卡儿认为一无所有的空间并不存在的见解与真理相去并不元。如果仅仅从有质物体来理解物理实在，那么上述观念看来的确是荒谬的。将场视为物理实在，的表象的这种观念，再把广义相对性原理结合在一起，才能说明笛卡儿观念的真义所在；“没有场”的空间是不存在的。　　（3）广义的引力论　　根据以上所述，以广义相对论为基础的纯引力场论已不难获得，因为我们可以确信，“没有场”的闵可夫斯基空间其度规若与（1）一致一定会满足场的普遍定律。而从这个特殊情况出发，加以推广，就能导出引力定律，并且在此推广过程中实际上可以避免任意义性。至于理论上进一步的发展，则广义相对性原理并没有十分明确地作出了决定；在过去几十年中，人们曾经朝着各个不同方向进行控索。所有这些努力的共同点是将物理实在看成一个场，而且是作为由引力场推广出来的一个场，因而这个场的场定律是纯引力场定律的一种推广。经过长期探索之后，对于这一推广我认为我现在已经找到了最自然的形式，但是我还不能判明这个推广的定律能否经得起经验事实的考验。　　在前面的一般论述中，场定律的个别形式问题还是次要的。目下的问题主要是这里所设想的这种场论究竟能否达到其本身的目标。也就是说，这样的场论能否用场来透彻地描述物理实在，包括四维空间在内。目前这一代的物理学家对这个问题倾向于作否定的回答。依照目前形式的量子论，这一代的物理学家认为，一个体系的状态是不能直接规定的，只能对从该体系中所能获得的测量结果给予　　统计学的陈述而作间接的规定。目前流行的看法是，只有物理实在的概念这样削弱之后，才能体现已由实验证实了的自然界的二重性（粒子性和波性）。我认为，我们现有的实际知识还不能作出如此深远的理论否定；在相对论性场论的道路上，我们不应半途而废。　　-----------------完----------------------天天读书网（www.book.d78i.com）整理