这是一部并非凭借双眼，而是用智慧发现并创建了宇宙新秩序的书。它揭示了宇宙所具有的更超乎寻常的秘密：同时性的相性对性；运动中的钟慢、尺缩效应；水星的近日点异动；光谱红移；引力场中时钟变慢等——这就是爱因斯坦的“相对论”！它一举颠覆了经典物理学，为人类开启了全新的物理世界，这不仅是科学史上仅有的几次革命性飞跃之一，也是一个时代的神话的开始！

这是一部彻底颠覆经典物理学观念的创世之书。它否定了牛顿的绝对时空观，认为空间不是平直的欧几里得空间，而是在引力场中弯曲的黎曼空间；时间也不是独立于空间的单独一维，它无时无刻不在空间之中，与空间构成一个统一的四维时空整体。此外，在凝炼编译、准确压缩的基础上，以图释的方式对书中的知识要点进行了精彩补述，既突出了原作者的精要思想，又回避了让更多读者犯难的学究气。

编译者语

相对论简史(代序)

爱因斯坦讲述《相对论》——编者导读

第一章 狭义相对论

1．1几何命题的物理意义

1．2坐标系

1．3经典力学中的空间和时间 

1．4伽利略坐标

1．5相对性原理(狭义)

1．6经典力学中的速度相加定理

1．7光的传播定律与相对性原理的表面抵触

1．8物理学的时间观

1．9相对性的同时性

1．10距离概念的相对性

1．11洛伦兹变换

1．12量杆和钟存运动时的行为

1．13速度相加法则斐索实验

1．14对相对沦启发作用的评估

1．15一般相对论的普通结果

1．16经验和狭文相对论

1．17闵可夫斯基四维空间

第二章 广义相对论

2．3惯性质量和引力质量相等是广义相对性公设的论据

2．4经典力学和狭义相对论的基础有哪些不能令人满意的方面

2．5对广义相对性原理的几个推论

2．6在旋转的参考物体上钟和量杆的行为

2．7欧几里得和非欧几里得连续区域

2．8高斯坐标

2．9狭义相对论的空间一时间连续区可以当做欧几里得连续区

2．10广义相对论的空间一时间连续区不是欧几里得连续区

2．11广义相对性原理的精确表述

2．12以广义相对性原理为基础解决地心引力问题

第三章 对整个宇宙的思考

3．1在宇宙论中牛顿理论的困难 

3．2“有限”而“极大”的宇宙的可能

3．3以广义相对论为依据的空间结构 

3．4对“以广义相对论为依据的空间结构”的补充

附录

广义相对论的实验证实

相对论与空问问题

爱因斯坦年表

       量子的发现

因此，由于“场”的引进而开启的这场革命，绝没有结束。在世纪交替时期，发生了同我们刚才讨论的事情无关的基本危机，由于麦克斯·普朗克对热辐射的研究(1900年)使人们突然意识到它的严重性。这个事件的历史由于下边的事实而值得注意：至少在开始阶段，它并没有受到任何惊人的实验发现的影响。

在热力学的基础上，基尔霍夫得出这样的结论：在一个器壁温度为T的不透光的容器内，辐射的能量密度和光谱组成与器壁的性质无关。这就是说，单色辐射的密度是频率和绝对温度的普适函数。这就引起了一个有趣的问题：如何决定这个函数。关于这个函数，在理论上我们可以确定些什么呢?根据麦克断韦理论，辐射必定会对腔壁产生一个压力，这个压力由总能量密度决定。从这点出发，玻尔兹曼用纯粹热力学方法推出：辐射的总能量密度同T成正比。从而他为早先已由斯藩根据经验发现的定律找到了理论根据——他将这条经验定律同麦克斯韦理论的基础联系了起来。此后，维恩运用麦克斯韦理论，在热力学上进行了创造性的思考，同时也发现了含有两个变量的普适函数的精美形式。两个普适常数之一导致了量子论。

普朗克公式中的一个常量准确地给出了原子的真实大小。

普朗克清楚地意识到这是一个伟大的成功。但是这里有一个严重的缺陷，幸而当初普朗克没有注意到。由于同样的考虑，应当要求普朗克公式同样适用于低温状态。然而，如果真的这样的话，这个公式也就完蛋了。因此，从现有的理论看，正确结论应当是：气体理论给出的振子的平均动能是错误的。那就意味着否定了(统计)力学，或者由麦克斯韦理论得出的振子的平均动能是错误的，那就意味着放弃了麦克斯韦理论。在这种情形下，最可能的是，这两种理论都只有在有限的范围内是正确的，此外则不然。后边的情况确实如此。如果普朗克得出了这样的结论，就不会有他的伟大发现了；因为这样就剥夺了他的纯粹思考的基础。

现在回到普朗克的推理。根据气体分子运动论，玻尔兹曼已经发现，除去常数因子外，熵等于我们所考察的状态的“几率”的对数。通过这种观点，他认识到在热力学意义上过程是“不可逆”的。然而，从分子力学的观点来看，所有过程都是可逆的。如果人们把由分子论定义的状态叫做微观描述的状态，或者简称为微观状态，而把由热力学描述的状态称为宏观状态，那么，有无数个状态属于宏观状态。这种想法之所以显得格外重要，是由于它的适用范围并不局限于以力学为基础的微观描述。普朗克意识到了这一点，并且把玻尔兹曼原理应用于一种由很多具有同样频率的振子所组成的体系。宏观状态是由所有这些振子振动的总能量决定，而微观状态则取决于单个振子的瞬时能量。因此，为了能用一个有限的数来表示属于一个宏观状态的微观状态的数目，普朗克把总能量分成大但，个数有限的同质能量元，并且问，在振子之间有几种方式分配这些能量元?于是，这个数目的对数就决定了系统的熵，并因此(通过热力学)决定了系统的温度。如果普朗克为他的能量元选取值，他就得到了辐射公式。这种思考方式不能使人清楚地看出，它同推导过程所依据的力学和电动力学的基础是相矛盾的。可是实际上，推导过程暗含了能量只能在固定大小的“量子”被单个振子吸收和发射。也就是说，可振动的力学结构的能量以及辐射能量，都只能在这种量子中传递。这是与力学定律和电动力学定律相违背的。这与动力学的矛盾是基本的，而与电动力学的矛盾可能没有那么基本。因为辐射能量密度的表示式虽然与麦克斯韦方程相容，但它并不是这些方程的必然结果。以这个表示式为基础的斯蒂芬一玻尔兹曼定律和维恩定律与经验相符合，这就表明这个表示式提供了重要的平均值。

普朗克的基本思路发表后不久，上述一切我都已十分清楚。因此，尽管没有出现经典力学的代替理论，我还是能看出，这条温度一辐射定律，为光电效应，为其他同辐射能量的转换有关的现象，为固体的比热(比热容)，带来了什么结果。可是，我所做的使物理学的理论基础同这种认识相适应的一切尝试都失败了。这就像脚下的土地都被抽空后，人们看不到任何可以在上面建筑的巩固基地。这个摇晃不定且自相矛盾的基础，竞足以使一个像玻尔那样独特直觉和敏锐思维的人发现光谱线和原子电子壳的主要定律，以及它们对化学的意义。这件事对我来说是一个奇迹，即使是今天，在我看来仍然如此。这是思想领域中最美妙的韵律。

        布朗运动和原子的实在性

虽然普朗克的工作所取得的具体结果可能非常重要，但在那个年代里，我的兴趣不在于此。我所关心的主要问题是：从关于辐射结构，或者更一般地说，从关于物理学的电磁基础的辐射公式中，我们能够得出什么样的普遍结论呢?在深入讨论这个问题之前，我必须简要地提到关于布朗运动及有关课题(波动现象)的一些研究。它们主要是以经典分子力学为基础的。玻尔兹曼和吉布斯的研究早已发表，而且已经把问题彻底解决了，但我对这些并不知晓。于是．我发展了统计力学，以及以此为基础的热力学的分子运动论。我这么做，主要是要找到一些事实，尽可能确证那些确定的有限大小的原子的存在。这时我发现，按照原子论，一定可以观察到的一种悬浮微粒的运动。而我并不知道，关于这种“布朗运动”的观察早已是人所共知了。最简单的推论是以如下的考虑为根据的。如果分子运动论确实是正确的，那么那些可见的粒子的悬浮液就一定也像分子溶液一样，具有符合气体定律的渗透压。这种渗透压同分子的实际大小有关，亦即同一克当量中的分子个数有关。如果悬浮液的密度不均匀，那么各处的渗透压也会，因此而不同，这就会引起一种趋向均匀的扩散运动，这能从已知的粒子迁移率计算出来。但另一方面，这种扩散也能被看做是悬浮粒子因热骚动而引起的。最初我们并不知道无规偏移的大小。通过对比，由两种不同的推导方式所得出的扩散电流的数值，人们就可以定量地得到这种位移的统计定律，也就是布朗运动定律。这些研究与经验相一致，以及普朗克根据辐射定律测定了分子的真实大小，这使得当时许多怀疑论者相信了原子的实在性．这些学者对原子论的敌对态度，无疑可以溯源于他们的实证主义哲学立场。这是一个有趣的例子，它表明即使是那些有冒险精神和敏锐直觉的学者，也可能因为哲学上的偏见而妨碍他们对事实做出正确解释。这种偏见尚未消失，它相信，无须借助概念构造，事实本身就能够而且应该为我们提供科学知识。这种误解之所以可能，只是因为人们很难认识到对这些概念的任意选择：经过长期、成功使用，这些概念看上去同经验材料直接相关。

P19-25

          编译者语

我们全都因他受益，

他的教诲惠及全球，

那本属于私有之物，

早已传遍人间，

他正如天际的明星，

无尽的光芒与他永伴。

——歌德

在世界上所有的科学杂志中，最受收藏家欢迎的单本杂志是1905年第17卷《物理学年鉴》，因为这上边发表了爱因斯坦的三篇论文：对M．普朗克量子理论进行首次实验性证实的《关于光的产生和转化的一个启发性观点》、考察布朗运动的《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》，以及提出时空新理论的《论动体的电动力学》。前者因为“光电效应定律的发现”而获得1921年诺贝尔物理学奖；后者建立了狭义相对论，并由此推导出了那个著名的质能方程：E=mc2。

爱因斯坦(1879～1955年)，现代物理学的开创者和奠基人。生于德国乌尔姆。1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学并入瑞士籍。1905年获苏黎世大学博士学位。曾在瑞士联邦专利局工作。1909年任苏黎世大学理论物理学副教授，1911年任布拉格大学教授。1913年任德国威廉皇家物理研究所所长、柏林大学教授，并当选为普鲁士科学院院士。1932年受希特勒迫害离开德国，1933年10月定居美国，到普林斯顿大学任教，直到去世。

爱因斯坦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，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。自然现象在运动学方面显示出统一性。这就是“狭义相对论”。

1916年，爱因斯坦发表了《广义相对论的基础》，这标志着广义相对论的诞生。爱因斯坦发现，现实的有物质存在的空间，不是平坦的欧几里得空间，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。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。正因为如此，广义相对论顷刻间闻名于世。

“对不起，牛顿。”爱因斯坦幽默地说。1687年，牛顿出版了《自然哲学的数学原理》，推翻了神学千年的根基，建立了完整而严密的经典力学体系。两个多世纪以后，爱因斯坦建立了相对论，颠覆了牛顿的经典力学，开辟了现代理论力学的新纪元。

爱因斯坦是千年以来最伟大的科学家。他以智慧之手，探询着上帝跳动的脉搏。相对论也是历史上最伟大的思想之一。爱因斯坦曾说，世界上可能只有12个人能够看懂相对论，但是世界上却有几十亿人借此明白没有什么是绝对的。爱因斯坦一生都不赞成将相对论应用于物理学之外，但他生前以及身后，相对论却在不断被引向文学、艺术、哲学、宗教等几乎所有学科。