十九世紀末、二十世紀初，是物理學革命的時代。不斷取得的新的科學成就，給經典物理學帶來了不可克服的困難，使經典物理學面臨著嚴峻的挑戰。在這新的形勢面前，絕大多數老一代的物理學家都產生了“危機”感，感到恐慌和不知所措。但是，這一新的形勢也鼓舞著新一代物理學家的探索精神，他們大膽地向經典物理學挑戰，從而開辟了物理學的新篇章。愛因斯坦所創立的相對論，就是這場物理學革命中的一個最偉大的成就，它對二十世紀的物理學，以至整個科學技術領域都帶來了極其廣泛而深刻的影響。
處于“危機”狀態中的物理學
自從牛頓(1642—1727年)集古典力學之大成，在1687年出版了《自然哲學的數學原理》一書后，牛頓力學便成為力學中最權威的理論，甚而成為整個物理學(現在通常稱之為經典物理學或古典物理學)領域的代名詞。牛頓力學為任何一種技術設計提供了理論基礎，深入地干預了人們的日常生活。人們依照力學的模式建立了熱、光、聲以及液體和氣體的運動的理論，并取得了巨大的成功。牛頓力學在生物科學中也得到了應用，例如身體運動的力學和聽覺的力學等。牛頓力學在科學和技術各方面所取得的成就，使其深為人們所崇拜和信賴，被奉為經典。人們甚至認為人類將來的一切科學進步，一定會在力學指導之下進行。直至十九世紀的前半葉，人們都以為，在這個世界上，物理學大廈的主要框架已經建成，剩下的只是細節方面的加工，即把公式推導得更完備些，把各種物理學常數測量得更精確些，使它更趨于盡善盡美罷了。沒有人期望在這方面會得到超出牛頓力學的成果。幾乎所有的科學家都認為，整個宇宙，包括生活在這個宇宙中的人類，都是隨著牛頓的法則運動著。
正當人們沉緬于按牛頓力學體系的框架，進行裝飾物理學大廈的工作之時，晴朗的物理學太空卻出現了烏云。十九世紀以后，光學和電磁學取得了重大的進展。人們首先發現了光的波動性質①。隨著電磁學的發展，人們又發現光也是一種電磁波。這就首先遇到了一個問題，即電磁波是如何傳播的呢?在牛頓力學中，力學的波是靠連續的介質傳播的，例如聲波，在空氣中是靠空氣傳播的，在真空中是聽不到任何聲音的。但是光和電磁波卻與聲波不同，它們能夠穿過真空，在真空中仍然能夠傳播。為了解決這個問題，物理學家曾試著作了如下的論證：若要傳播光和電磁波，就非要有某種物質的媒介存在不可。于是假設了一種稱為“以太”(Ather)的介質，認為以太是沒有重量的彈性物質，它到處彌漫于宇宙之中。
但是，科學是嚴肅的，不允許有絲毫的含混。只有可以驗證的理論方才是科學的理論，否則就沒有任何科學的意味。既然以太是傳播光和電磁波的介質，就應該是一種真實存在的物質，也就可以通過科學的手段證實其確實存在。因此，不少科學家致力于尋找以太的工作。在牛頓的力學體系中，有如下的基本原理和法則，即伽利略(1564—1642年)的相對性原理和速度的合成法則。所謂伽利略相對性原理，是關于物理定律在不同的慣性參考系中完全一致的原理。例如在平直的路上以固定速度行駛的列車上，所作的運動結果與在地面上完全一樣。你若是在車上發出一個音響，由于車廂里空氣是與列車一起運動的，所以聲音在車上向各個方向傳播的速度一樣，與地面上的聲音傳播規律相同。所謂速度的合成法則，是指在不同的參考系中，由一個參考系觀測另一個參考系上的運動，其速度與參考系的運動速度有關。如在地上觀測列車聲音傳播，在與列車前進相同的方向上，聲音的傳播較快，其速度是音速加上車速;而在與列車前進相反的方向上，聲音的傳播速度較慢，其速度是音速減去車速。如果以太確定存在，那么它也得遵循伽利略相對性原理和速度合成法則。反之，人們也可以根據伽利略相對性原理和速度合成法則，觀測到以太的存在?？茖W家們正是根據這一基本思想尋找以太的。
根據速度的合成法則，如果以太存在，在地上觀察運動參考系上的光源發出的光的速度，就會與參考系的運動有關。如上面所說的列車上發出的光，在地面上就會觀測到在列車前進方向上光的速度是光速加上車速，在與列車前進相反的方向上光的速度是光速減去車速。對于這一速度的差異，物理學家是很容易利用實驗進行測定的。但是，從1839年開始，直至二十世紀三十年代，物理學家進行了多次的實驗，其中最著名的是美國的邁克爾遜(1852—1931年)和莫雷(1836—1923年)于1887年共同進行的實驗。結果所觀測到的都是不管參考系是作直線運動還是轉動，從相對靜止的參考系上觀測到的結果，與運動著的參考系觀測到的結果一樣。光速C都是每秒鐘30萬公里，而且不管是沿著參考系的運動方向還是逆著參考系的運動方向，結果都沒有差別。這個結果表明以太的存在值得懷疑，而且牛頓力學中的重要法則——速度合成法則，在這里也不適用了。在這里，牛頓力學陷入了困境。但是，大部分的物理學家還是固守以太的概念。為了解脫上述的困境，他們提出了在宇宙中所有的參考系中，有著一個和其他任何參考系相異的參考系，即對于以太靜止的參考系，也就是說是以光的速度C的值所決定的基準而存在的唯一的系。但是，如果有這樣的系存在的話，則牛頓力學中的重要原理——伽利略相對性原理就不正確了，從而導致整個牛頓力學體系陷入更大的困境?？傊?，尋找以太的失敗形成了籠罩在物理學太空中的烏云，引起了物理學界的混亂。
事情并非到此為止。隨著科學的發展，十九世紀末葉新的東西一個又一個地被發現著。1895年，德國的盧梅爾(1860—1925年)和維恩(1864—1928年)進行了黑體輻射①實驗，發現黑體加熱到一定的溫度時射出一種在特殊波長上最大的能量輻射，這種最大能量的波長隨著溫度的增加而下降。這一現象不能用光的波動說進行說明。同年，德國的倫琴(1845—1923年)發現了X射線。1896年，法國的貝克勒爾(1825—1908年)發現了鈾的放射性。1897年，英國的湯姆生(又稱開爾芬勛爵，1824—1907年)發現了電子，從此，在牛頓力學中物質、能量連續的觀念又一再陷入了困境，成為籠罩在物理學太空中的又一朵烏云。
面臨著牛頓力學的這一系列困境，大多數的物理學家都感到了壓抑和窒息。有些物理學家甚至感到恐慌，發出了物理學遭遇危機的哀嘆。1900年，湯姆生稱這“兩朵烏云”掩蔽了“把光和熱斷定為運動形式的動力學理論的美麗和明晰?！钡聡锢韺W家、最先提出量子概念的普朗克①(1858—1947年)說：“我們現在生活在一個不平常的世界里，不論我們觀察哪一方面，在精神文明和物質文明任何領域內，我們都覺得是處在一個極嚴重的危機中，這種嚴重的危機，在我們全部私人生活和社會生活上，印上了許多紛擾和動搖的征候。很久以前，在宗教和藝術領域內，現在則在科學園地內難得找到一個不會被人懷疑的基本原理，同時也難得找到一種無稽之談是人所不相信的?！痹陔姶艑W中提出著名的空間和時間的坐標變換公式②的荷蘭物理學家洛倫茲(1853—1928年)也說：“在今天，人們提出與昨天所說的話完全相反的主張;在這樣的時期，已經沒有真理的標準，也不知道科學是什么了。我很悔恨我沒有在這些矛盾沒出現的五年前就死去?！?/p>
物理學的出路在那里呢?如何才能擺脫物理學所遭遇到的困境、混亂或危機呢?
歷史的經驗證明，一種學說或理論，即使是在歷史上起過重大作用的科學學說或理論，當其被人們奉為經典，視為金科玉律之后，往往會走向其反面，成為束縛人們思想的桎梏、妨礙科學發展的阻力，也就是說，成為一種保守的傳統勢力。這種傳統勢力，正如恩格斯所指出，“是一種巨大的阻力，是歷史的惰性力”③。在近代科學文明的發展中作出了重要貢獻的牛頓力學理論體系，其命運也正是這樣。
十九世紀末、二十世紀初，在新的科學發現面前，大多數物理學家一方面感到混亂、恐慌和危機，一方面卻仍固守牛頓力學體系，力圖調和牛頓力學與新的科學發現的矛盾，彌合牛頓力學在新的科學發現沖擊下出現的裂縫。例如，普朗克在1900年提出了能量子概念，成為量子力學的開創者，但他本人卻對自己的理論發現感到懷疑，仍然想從牛頓力學中尋找出路;洛倫茲在得出著名的洛倫茲變換的同時，已經提出了運動物體在運動方向上縮短的假說，走到了相對論的邊緣，但卻又止步不前，煞費苦心地試圖用牛頓力學體系來對此進行解釋。另外也有少數物理學家走向了科學的反面，走上了否定一切的道路。如法國物理學家昂·彭加勒(1854—1912年)在《科學的價值》一書中宣稱能量守恒原理被推翻了，“物質消失了”，而且“所有其他的原理也遭到了危險”，是“原理的普遍毀滅”，甚至提出了存在著沒有物質的運動，說“萬物都在運動——但是在概念中運動”。盡管物理學面臨著嚴峻的形勢，但是科學是不會倒退，更不會被取消的，科學畢竟是科學，它總是在不斷地前進著。不斷地創新和進行新陳代謝，正是科學的生命力之所在。新的科學發現和物理學面臨著的嚴峻形勢，造就了一代新的物理學家，他們迎來并推動著二十世紀的物理學革命。其中，愛因斯坦就是一個最杰出的代表。
二十世紀物理學革命的結晶
二十世紀初葉，愛因斯坦(1879—1955年)這個出生在德國烏耳姆的猶太人，當時還是一個受到社會冷落和嘲弄的年青人。1900年8月，他在瑞士蘇黎世工業大學畢業后，同班的3個同學都留校得到了教職，唯獨他被拒于校門之外。經歷了兩年的失業生涯之后，他受聘到伯爾尼瑞士聯邦專利局，擔任三級技術員。生活道路的波折并沒有使愛因斯坦消沉，他熱愛物理學和哲學，在出色地完成專利局的本職工作之余，他埋頭進行物理學的研究他有著獨立思想的個性，對自然科學和哲學的不斷學習、吸取、研究，使他養成了一種懷疑所有權威的性格。他把這種懷疑態度與“相信世界在本質上是有秩序的和可認識的這一信念”結合在一起，即把懷疑論與自發唯物論有機地結合起來，從而使他認識到，科學能夠破除迷信，能夠解放思想，“科學不是而且永遠不會是一本寫完了的書，每一個重大的進展都帶來了新問題，每一次發展總要揭露出新的更深的困難”，“科學迫使我們創造新的觀念和新的理論。它們的任務是拆除那些常常阻礙科學向前發展的矛盾之墻。所有重要的科學觀念都是在跟我們的理解之間發生劇烈沖突時誕生的”。因此，在這場物理學變革的風浪中，愛因斯坦能夠與眾不同。他不墨守陳規，敢于沖破傳統的成見，在前人成果的基礎上，大膽創新，終于登上科學的新高峰，成為物理學革命時代的科學巨匠，開創了物理學發展的新紀元。
早在1895年，16歲的愛因斯坦在乘坐馬車去瑞士阿爾高邦的阿勞上中學途中，忽然產生了一個奇怪的念頭：如果有人以光速和光線一齊前進，是不是將觀察到光線乃是靜止在空間中振動著的電磁波呢?這個問題一直折磨著年輕的愛因斯坦?！袄碚摬粦斖涷炇聦嵪嗝堋?，這是愛因斯坦從事理論物理學研究的一個基本思想。實驗事實和根據電磁理論的推究，都證明這是不可能的。但是根據伽利略的相對性原理，這個結果卻是肯定的。好象我們坐在一輛以固定速度行駛在一條平直的路上的汽車中，觀察另一輛以相同的速度在同一方向上行駛的汽車，將會覺得另一輛汽車靜止不動似的。那么問題出在什么地方呢?是實驗事實不對呢，還是牛頓力學體系有毛病?愛因斯坦反復思索著，極力尋求問題的解答。
經過10年的努力，愛因斯坦終于在1905年6月完成了論文《論動體的電動力學》，這是關于相對論的第一篇論文。他首先抓住了邁克爾遜—莫雷關于驗證以太存在的實驗失敗這一事實，明確否定以太的存在，拋棄以太假說，指出以太的“引用將被證明是多余的”。他從邁克爾遜—莫雷實驗中得出地球運動不影響光的速度這一結論出發，進而推想，光速既然不隨地球運動而變化，那么也必然不隨其他任何參考系，如月亮、太陽以及一切星球的運動而變化。由此，他提出了兩個基本原理：
一、物理定律同慣性系的選取無關，即所謂狹義相對性原理。用愛因斯坦的話來說，就是“物理體系的狀態據以變化的定律，同描述這些狀態變化時所參照的坐標系究竟是用兩個在互相勻速運動著的坐標中的哪一個并無關系”。
二、光速不變原理，即“任何光線在‘靜止的’坐標系中都是以確定的速度V①運動著，不管這道光線是由靜止的還是運動的物體發射出來的”。他利用洛倫茲變換和麥克斯韋方程②，說明空間、時間和物體運動之間不是彼此無關的，而是不可分離地緊密聯系著的?？臻g和時間隨著物體運動而變化，運動物體在運動方向上長度“縮短”，時間變“慢”，亦即不存在絕對的空間和絕對的時間。
作為相對論理論體系的第一階段工程的狹義相對論就這樣誕生了。在狹義相對論中，牛頓力學的運動定律，在物體的運動速度遠小于光速的情況下仍然成立。也可以說，牛頓力學的運動定律被包括在狹義相對論之中，且只是作為狹義相對論的特定情況下才成立。
1905年9月，也就是在《論動體的電動力學》完成之后3個月，愛因斯坦又完成了論文《物體的慣性同它所含的能量有關嗎?》在文中，他根據狹義相對論推導出了一個重要的結論：物體的質量與運動密切相關，運動速度增加，質量也隨著增加。他并提出了著名的質能關系式： E= mc2，即物體的能量相當于質量與光速的平方的乘積。用愛因斯坦的話說，也就是“物體的質量是它所含能量的量度;如果能量改變了L，那么質量也就相應地改變L/9·1020。此處能量是用爾格(Erg)來計量，質量是用克(gramme)來計量”。由于能量的數值為質量數值的9×1020倍，因此質量有稍許變化，就會引起巨大的能量變化。這就揭示出了原子內部所蘊藏的巨大能量的秘密。
1905年前后的愛因斯坦
狹義相對論還不是一個完備的理論體系，它僅適用于勻速直線運動的情況，還不能解釋加速運動和萬有引力的問題。遵循著“物理學的定律必須具有這樣的性質，它們對于以無論哪種方式運動著的參考系都是成立的”這一認識，從1907年起，愛因斯坦開始進行推廣相對論應用范圍的工作。早在愛因斯坦考慮如果人以光速和光線一起前進，是否將會看到靜止不動的電磁波的問題的同時，另外一個問題也時時在他的腦海中出現。這個問題就是，如果有人呆在一架自由下落的升降機中，將會發生什么情況呢?他設想有一個其高無比的建筑物，其中有一架密閉的電梯在自由降落，在里面的人如果拿一些東西撒手放開，他們將會發現，這些東西都會在手放開的那個位置上呈靜止狀態，好象是懸在空中，不升也不降。因為這時電梯、人、東西都依照重力加速度定律①下降著，在電梯里就好象沒有地球引力存在一樣。假如人把這些東西推一下，這些東西就會朝被推的方向作勻速直線運動，直到這些東西碰到電梯壁時才會停止。這樣，在電梯里的人就可以得到如下的法則，即在我的參考系(以重力加速度作自由降落的電梯里)中，一切物體被其他的物體碰撞到，都會同樣地作勻速直線運動，直到撞及電梯壁才停止。倘若不考慮電梯壁的話，這一法則與牛頓的慣性定律②相似。如果電梯不是自由降落，而是以固定的加速度上升，那么電梯中的人將會覺得他們的腳是緊緊地踏在地板上，東西如果撒手，就會下落，與在地面上房間里發生的情況一樣。如果電梯不升也不降，而是旋轉著的，在內里的人除了感到一種把他們拉向電梯一邊的力外，分不清哪是天，哪是地，仍然以為是受著地球引力的作用。從這些假想的事件中，愛因斯坦受到了啟示，認識到要區分是由慣性力或者是引力所產生的運動是不可能的。1907年，他在論文《關于相對性原理和由此得出的結論》中，抓住慣性質量與引力質量的等效性這個事實，提出了“引力場同參照系的相當的加速度在物理上完全等價”的假設，亦即假設引力場運動和加速度運動在物理學上完全等價，邁出了推廣相對論的步伐。
隨著研究的深入，愛因斯坦關于廣義相對論的思想不斷地豐富和充實著。但是，擺在他面前的道路并不是平坦無阻的，特別是遇到了數學方面的困難。他發現，以往在物理學中所應用的數學工具歐幾里得幾何學已經不再適用了?！霸谖锢韺W中，通向更深入的基本知識的道路是同最精密的數學方法聯系著的”，既然原有的數學工具不能適用，那就必須尋找新的數學工具。為此，愛因斯坦耗費了大量的心血。1912年，他終于在他的老同學、數學教授格羅新曼的幫助下，找到了適宜的數學工具四維空間的非歐幾何學和張量計算①。1913年，他們合作寫了論文《廣義相對論和引力理論綱要》。這篇重要論文分兩部分，物理學部分是愛因斯坦執筆的，數學部分是格羅斯曼執筆的。這一工作為廣義相對論的建立掃清了道路。
經過七、八年的辛勤勞動，走過了不少彎路，克服了大量困難，愛因斯坦終于在1915年10月完成了創建廣義相對論的工作，并于1916年寫了總結性的論文《廣義相對論的基礎》。 愛因斯坦稱，這是“對今天一般稱之為‘相對論’的理論所作的可能想象得到的最廣泛的推廣”。廣義相對論適用于勻加速運動的體系，當物體的運動速度遠小于光速時，由廣義相對論的基本公式，可以推導出牛頓的萬有引力公式，從而成功地把牛頓的萬有引力定律①包括在相對論的理論體系之中。正如愛因斯坦所說：“相對論有點象一座兩層的建筑，這兩層就是狹義相對論和廣義相對論。為廣義相對論所依據的狹義相對論，適用于除了引力之外的一切物理現象;廣義相對論則提供了引力定律，以及它同自然界別種力的關系”。
廣義相對論所預言的三個效應，很快都得到了有力的證實。
一、行星的橢圓軌道繞太陽旋轉。1781年發現太陽系的新行星天王星之后，人們發現它繞太陽公轉的軌道有些反常，天文學家推斷這是因為有一顆尚未發現的行星所施加的引力造成的結果，于是根據牛頓運動定律，計算出了這個假設的行星的位置，并在該位置上發現了太陽系的另一新行星海王星。同樣，天文學家觀測發現，離太陽最近的水星的運動也有點特別，它每繞太陽公轉一周，其軌道離太陽最近的那一點的位置就有些改變，稱為水星近日點進動，進動值為每百年43秒②。 于是天文學家象預言海王星一樣，預言還有一顆尚未發現的行星存在，造成了近日點的進動。但是，人們長期為發現新行星所作的努力都失敗了，實際上并不存在這樣一顆行星。對于水星近日點進動問題，牛頓力學無法進行解釋，它暴露了牛頓力學的缺陷。愛因斯坦根據廣義相對論，提出了行星的橢圓軌道繞太陽旋轉的理論，并指出由于其他行星離太陽較遠，這種軌道的旋轉運動很小， 可以忽略不計，而水星離太陽最近，所受的太陽引力場作用最強，因此水星軌道繞太陽的旋轉較為顯著，從而成功地解釋了水星的近日點進動問題，并且得出了與實際觀測相符合的每百年43秒進動值。對此，愛因斯坦非常興奮，在他給荷蘭萊頓大學教授埃倫菲斯特(1880—1933年)的信中寫道： “方程給出了水星近日點進動的正確數字，你可以想象我有多么高興!有好幾天，我高興得不知怎樣才好”。
二、引力場所引起的光線的彎曲。在一般情況下，光線是沿直線傳播的，但愛因斯坦根據廣義相對論指出，當光線經過大質量星體時，由于強大引力場的作用，光線將發生偏轉。他計算出，從遠處的恒星所發出來的光線，如果掠過太陽表面，光全偏轉的角度是1.7秒①。由于白天陽光強烈看不到星星，晚上又只能看到星星，看不到太陽，所以要觀測到這一效應，只有在日全蝕的情況下才能進行。1919年5月27日，英國天文學家愛丁頓(1882—1944年)率隊在西非洲海岸附近的普林西北島上對日全蝕進行考察，證實了這一相對論效應。
三、從恒星發射到地球上的光線，其譜線向光譜紅端移動。高溫下，每一種氣態的化學元素都會輻射出幾種一定頻率的光線，即光譜線。分析恒星的化學成分，就是利用對恒星所發出的光進行光譜分析的方法。有什么光譜線，就有什么元素存在。根據廣義相對論，引力場會使時鐘變慢，因此在原子中電子的振蕩頻率變低，輻射出的光的頻率也隨著變低。所以，引力場很強大的恒星發出的光譜線，會移向低頻端，也就是向紅端移動①。 這一廣義相對論效應，1924年通過對于天狼星伴星的觀察得到證實，1959年觀測太陽光譜，1971年觀測密度很大的白矮星的光譜，進一步得到證實。
事實證明了廣義相對論是一個嚴密的理論體系，正如愛因斯坦自己所說的：“這理論主要吸引人的地方在于邏輯上的完備性。從它推出的許多結論中，只要有一個被證明是錯誤的，它就必須被拋棄;要對它進行修改而不摧毀其整個結構，那似乎是不可能的?！?/p>
相對論推動著二十世紀科學技術的發展
相對論的命運與它的創立者在大學畢業時被拒于校門之外的遭遇相似，它必須在經歷一番坎坷之后，才會被科學界所承認。在1905年狹義相對論提出后，有4年之久科學界無所反響， 到1909年才開始引起科學界的重視。一些有遠見的科學家非常贊賞愛因斯坦的工作。居里夫人(1867—1934年)說：“我非常欽佩愛因斯坦先生在現代物理學有關問題上所發表的著作”，并稱“這些著作是最高級的”。彭加勒(1854—1912年)說：“愛因斯坦先生是我曾經認識的最富創見的思想家之一……我們應當特別贊賞他的是他善于適應新的概念并知道如何從這些概念引起各種結論的靈巧。他不受古典原理的束縛，而且每當物理學中出現了問題，他很快就想象出它的各種可能性?！逼绽士苏f：“要對愛因斯坦的理論作出中肯評價的話，那么可以把他比作二十世紀的哥白尼，這也正是我所期望的評價?！?/p>
但是，由于相對論對牛頓力學的理論體系進行了根本性的變革，同時廣義相對論更是遠遠地超越于人們常規的認識，因此它沒有很快被整個學術界所接受。當時的大多數物理學家都感到難于理解相對論，也有不少人表示懷疑和反對。1922年初，愛因斯坦在法國講授相對論時，巴黎所有的物理學家、數學家和各系的教授以及全體科學院院士都出席了。會上的情況是，“當時為了企圖拯救曾認為是基本的，但又為革命思想所剛剛推翻了的那些概念，學術界非常激動，人們爭論得很厲害?！睈垡蛩固?922年獲得1921年度的諾貝爾獎金，其得獎成果是他在光學方面提出光量子理論①的貢獻，而不是創立相對論的功績。就連對相對論的建立起過重要作用的洛倫茲直至1928年還表示對光學現象沒有以太作載體不完全理解。
但是，二十世紀畢竟是一個物理學革命的時代，人們已經比較習慣于接受新的思想和新的學說，因此，隨著廣義相對論三個效應的被證實，二十年代之后，除了少數頑固者和反猶太主義政治狂人外，相對論便風行全球。成為科學領域中的一個基本理論了。正如量子力學的創立者之一，德國著名的物理學家海森伯②(1901—1976年)所說：“在科學史上，以往也許從來沒有過一個先驅者象阿耳伯特·愛因斯坦和他的相對論那樣，在他在世時為那多么的人所知道，而他一生的工作卻只有那么少的人能夠懂得?！?/p>
相對論的創立在科學發展的道路上矗立了一座新的里程碑，它既是物理學革命的結晶，又推動著物理學革命向前發展，對整個二十世紀的物理學革命進程給予了巨大而深刻的影響。
首先，相對論帶來的是關于時空觀的根本性變革。在牛頓的力學體系中，乃至在牛頓以前人們的認識中，都存在著絕對空間、絕對時間的概念，因而物體的運動也是在絕對時空中的絕對運動。時間、空間彼此孤立，互不相關?？臻g可以用歐幾里得幾何學來描述，物體的運動只是在虛無的、絕對的空間中作著位置移動，時間則只不過是獨立于空間的不斷消逝著的長流。這一世界圖象，是與宇宙中有一個享有特權的神圣的觀察者的思想聯系在一起的。這一種神圣的觀察者，只要知道宇宙間任何物體在任何時刻的位置和速度，就能夠知道過去發生過的一切，并預言未來將要發生什么。由之，也就為上帝(或神)留下了位置，以至牛頓最終也得承認上帝的存在，說上帝“永遠存在， 到處存在， 而且由于永遠和到處存在，形成了時間與空間。(他)沒有身體，他是愛，是大智大慧，他無往而不在;他在無限的空間內，就如在他眼前一樣，親切地看見事物本身，徹底地感受到它們，并且由于它們直接呈現在他面前，整個兒理解它們?！边@一世界圖象并且造成了十八、九世紀的機械論。 如同恩格斯所指出的： “這個時代的特征是一個特殊的總觀點的形成，這個總觀點的中心是自然界絕對不變這樣一個見解。不管自然界本身是怎樣產生的，只要它一旦存在，那末在它存在的時候它始終就是這樣?！雹?/p>
在相對論理論體系中，這一世界圖象被摧毀了。根據相對論中的光速不變原理，不論在什么參考系中，是運動著的參考系中或是相對靜止的參考系中，對于觀察者來說，光速都是一樣的每秒鐘30萬公里，亦即在運動著的參考系中，時間變“慢”了，在運動方向上的長度“縮短”了。從而絕對的時間、空間以及運動都失了意義，剩下的只是相對的時間、空間以及運動。而且，在相對論中，三維的歐幾里得幾何空間被四維的時空非歐幾何所代替了，時間、空間以及物體運動都被緊密的聯系在一起，無法分隔開來了。正如愛因斯坦在解釋相對論時所說的，“要點是這樣的：早先人們認為，假如由于某種奇跡，一切有形體的事物突然一下子消失了，那么空間和時間仍會留下來。照相對論來說，空間和時間是和一切事物一起消失的?！边@一新的時空和運動觀不僅成為科學中的一種基本理論，而且上帝失去了立足之地，機械論的根基也被鏟除了，它從科學上驗證了“一切存在的基本形式是空間和時間，時間以外的存在和空間以外的存在，同樣是非?；恼Q的事情”①，“世界上除了運動著的物質，什么也沒有， 而運動著的物質只有在空間和時間之內才能運動。人類的時空觀念是相對的”②等辯證唯物主義觀點的正確。
相對論作為一種科學理論，它在自然科學的領域里顯示出了巨大的生命力。在二十世紀取得重大進展或新興的許多物理學、天文學的分支中，大多都是以相對論作為基礎理論而發展或建立起來的。
在微觀領域方面，狹義相對論連同質能關系式已成為基本理論和公式，得到了廣泛的應用。它使當時無法解釋的放射性元素，如鐳為什么能夠不斷釋放出強大能量的現象，得到了解釋，即由于質量轉化為能量的緣故。它同樣成功地解釋了太陽的輻射問題。在狹義相對論之前，關于太陽能的來源問題一直是物理學中的一個難題。不少科學家曾經提出了種種假設，試圖進行解釋。如邁爾(德國物理學家，1814—1878年)和湯姆生認為是由于隕星落進了太陽，因而它們的機械能轉變為熱。后來赫爾姆霍茨(德國物理學家，1821—1894年)和湯姆生又提出了太陽收縮的理論，認為伴隨著收縮有勢能轉變成熱能。根據這些解釋，得出的太陽和地球年齡不會超過6千萬年或1億年，因而受到了地質學界的反對，因為這樣短的時間不可能解釋地質構造和地球上生命的進化。狹義相對論則由質量轉化為能量的理論出發，提出了太陽的輻射源來自于太陽自身的質量，使這個難題得到了合理的解決。隨后，狹義相對論成為新發展起來的原子核物理學、粒子物理學和高能物理學的理論基礎。在量子力學①中，相對論也發揮著應有的作用。除了質能關系式是量子力學的基本公式外，1928年英國物理學家狄拉克(1902—)把廣義相對論引進了量子力學，從中還預言了有一種質量等于電子，但電荷相反的粒子的存在②。后來，隨著量子力學的發展，逐步形成了一門新的科學分支相對論量子力學。
同時，狹義相對論及其質能關系式還是高能加速器和原子能應用等現代技術領域的計算基礎，為人類利用核能開辟了無限廣闊的前程。例如，在核能的應用方面，原子核物理學告訴我們，原子核是由核子(質子和中子)組成，一個原子核的質量永遠小于組成它的核子的質量和。這些質量的損失以能量的形式被釋放出來，稱為原子核的結合能。按質能關系式，可以計算出質量每減少0.001克，就能夠釋放出22×109卡的能量，相當于燃燒2.7噸煤炭或爆炸22公斤梯恩梯(即三硝基甲苯)炸藥所釋放的能量。隨著原子核物理學的發展，人們發現一些較重的原子核分裂成兩個較輕的原子核后，由于核子在較輕的原子核中結合得更加緊密，便有大量的能量釋放出來(這一過程稱為核裂變)。后來又發現一些較輕的原子核的結合能特別大，當兩個更輕的原子核聚合成這些元素的原子核時，釋放出的能量比重原子核分裂時更大(這一過程稱核聚變)。不管是核裂變或核聚變，其釋放出來的能量都可由質能關系式計算出，這就為核能的利用提供了基礎。軍事上根據核裂變和核聚變制造的原子彈和氫彈，在四、五十年代就已出現?，F在人類已開始了原子能的和平利用，建立了不少原子能發電站。氫的核聚變能量的應用可能性，現在也正在積極地探索中，一旦成為現實，那么單是海水中所含的氫，就可以向人類提供幾乎是取之不竭，用之不盡的能源。
與狹義相對論在微觀領域的應用取得的重大成功相呼應，廣義相對論在巨大的宏觀領域——宇宙范圍里也大展神威。它引起了天文學的革命，開拓了現代宇宙學的新道路。廣義相對論創立不久。愛因斯坦就以巨大努力探索廣義相對論的應用。1917年，他發表了論文《根據廣義相對論對宇宙學所作的考查》，被認為是現代宇宙學的開創性文獻，為現代宇宙學的建立奠定了基礎。愛因斯坦放棄了無限空間的概念，建立了靜態有限無邊的宇宙模型①，由此導致了宇宙膨脹學說和大爆炸學說②的建立。六十年代以來，由于天文觀測手段的進步，人們發現了一系列新的高密度質量和強大引力場的星體，在這些星的體系中，相對論效應起著明顯的作用。因此，人們應用廣義相對論的概念和方法，來研究這些天體的物理性質、結構和演化，形成了天體物理學的一門新分科——相對論天體物理學。
1916—1918年，愛因斯坦根據廣義相對論預言并論證了引力波①的存在，驗證引力波便成為科學界的一個重大研究課題。但由于引力波的效應極其微弱，驗證非常困難，曾耗費了不少人的大量心血，而長期沒有被發現，因而對這個問題的關注一度受得淡漠。近年來，隨著射電天文學迅速發展，尋找引力波的呼聲重新高漲，形成了一股熱潮，不少科學家都為爭當第一個引力波的發現者艱辛地工作著。這一工作，目前已取得了初步的成果。
在相對論基礎上，創立包括引力場和電磁場的統一場論②，是愛因斯坦科學生涯中所致力實現的又一項巨大工程，為此幾乎花費他后半生的全部精力。由于他在三十多年艱辛的探索中，始終沒有得到有物理意義的結果，因此對這一工作，許多年來在科學界一直存在著不同的看法。近年來由于微觀粒子領域的研究不斷取得新的突破，統一場論的思想重新受到了科學家們的重視，不少人已經投身于創建統一場論的工作，并得到了一定的進展。
此外，相對論也促進和推動著數學的發展。廣義相對論的理論描述，是數學與自然科學之間相互有效結合的光輝范例。它賦予了長期被打入冷宮的非歐幾何學以物理學的內涵，使非歐幾何<學獲得了新的生命力，并向前發展。同時，相對論所揭示出的新的物理學問題，迫使某些數學方法必須加以完善。因此，它促進了數學的發展，反過來又推動著物理學研究的進一步發展。
總之，歷史已經證明，相對論與量子力學一起已經成為二十世紀的物理學的兩大柱石。正如量子力學的創立者之一、德國著名的物理學家玻恩在1955年所說：“對于廣義相對論的提出，我過去和現在都認為是人類認識大自然的最偉大成果，它把哲學的深奧、物理學的直觀和數學的技藝令人驚嘆地結合在一起?！毕鄬φ撘呀洸⑶疫€將在哲學和科學技術領域顯示出巨大的生命力，人們完全有理由相信和期待著它新的成功。
注釋
① 光的本性問題,是科學界長期爭論的一個問題。十七世紀時,牛頓倡導了光的微粒說,認為光是由發光體所發出的彈性微粒所組成,而惠更斯(英國物理學家,1629—1695年)則提出光的波動說,認為光是一種機械波,由發光體引起,和聲波一樣依靠介質來傳播。十八世紀時,光的微粒說占主導地位,波動說幾乎被遺棄。十九世紀后,光的波動說被物理學界所公認,微粒說則差不多被否定。直至二十世紀初,愛因斯坦提出了光的量子理論,光的波粒兩重性才被人們認識。
① 能全部吸收外來電磁輻射而毫無反射和透射的物體稱為黑體,黑體發出的電磁輻射稱為黑體輻射,其輻射能力比其他物體強,對黑體輻射的研究導致了量子論的誕生。
① 為了克服黑體輻射給經典物理學帶來的困難,普朗克于1900年提出了量子假設,即假設物質輻射(或吸收)的能量只能是某一最小能量單位(能量子)的整數倍,為后來量子論的發展奠定了基礎。
② 即高速運動的參考系與靜止參考系之間關于空間和時間坐標的變換公式,因是洛倫茲所提出,故又稱洛倫茲變換,是后來相對論中的基本公式之一。
③ 《馬克思恩格斯選集》第3卷,人民出版社1972年版,第402頁。
① 光速現一般都以“C”表示。
② 英國科學家麥克斯韋(1831—1879年)所建立的電磁場的基本方程。
① 物體由于重力作用而獲得的加速度稱重力加速度,在地面附近任何物體的重力加速度在同一地點都相同。這個定律是伽利略通過比薩斜塔進行的實驗所得到的。
② 慣性定律又稱運動的第一定律,即任何物體在不受外力的作用時,都保持原有的運動狀態,原來靜止的永遠靜止,原來運動的永遠作勻速直線運動。這是牛頓三大運動定律之一。
① 公元前三世紀希臘數學家歐幾里得(約公元前330—前275年)所建立的幾何學體系,后人稱為歐氏幾何學。歐氏幾何學的第五公設:“過平面上直線外一點,只能在這平面上作一直線與給定的直線平行”,這個公設無法證明,很早就引起人們的懷疑。十九世紀后,有人通過變換第五公設,提出了“過平面上直線外一點,可以在這平面上作無數條直線不與給定的直線相交”,并得到了證明,形成了一個新的幾何學體系,被稱為非歐幾何學,意即不同于歐氏幾何學。歐氏幾何學的空間坐標是三維的, 非歐幾何學的空間坐標是四維的。
張量計算為近現代物理學中的一種重要數學計算方法。
① 萬有引力定律是牛頓力學的最基本定律之一,它揭示出了物體之間由于物體具有質量而產生相互的吸引力,如地面上物體所受的重力,就是地球與物體之間的相互吸引力所產生的。兩物體之間引力的大小與它們質量的乘積成正比,與它們之間距離的平方成反比。地面上兩物體之間的引力很小,因而一般不加考慮。
② 此處秒為角度單位,一周為360度,一度為60分,一分為60秒。下同此。
這是當時愛因斯坦推出的數值，現一般采用1.75秒的數值。
① 在可見光中,紅光的頻率最低。
① 愛因斯坦1905年3月提出了“從點光源發射出來的光束的能量在傳播中不是連續分布在越來越大的空間之中,而是由個數有限的、 局限在空間各點的能量子所組成,這些能量子能夠運動,但不能再分割,而只能整個地被吸收或產生出來”的假設,即光的量子理論,從而掀開了光學發展史上的新一頁, 為量子力學的創立和光的波粒兩重性本質的揭示奠定了基礎。
② 海森伯是二十世紀一位杰出的物理學家,1925年他提出了微觀粒子的不可觀察的力學量,如位置、動量應由其所發光譜的可觀察的頻率、強度經過一定的運算來表示。隨之,他與玻恩(德國物理學家,1882—1970年),約丹(德國物理學家, 1902—)合作建立了矩陣力學,在量子力學的建立過程中起著先驅的作用。1927年, 他又提出了測不準關系,成為量子力學的一個基本原理。其后,他還有不少貢獻。
① 《馬克思恩格斯選集》第3卷,第448頁。
① 《馬克思恩格斯選集》第3卷,第91頁。
② 《列寧全集》第14卷,人民出版社1957年版,第179頁。
① 量子力學是研究微觀粒子運動規律的理論,是本世紀二、三十年代建立的現代物理學的理論基礎之一。
② 即后來發現的正電子。
① 這里所說的宇宙實際上僅指整個無限宇宙的一個區域,因為在我們所處的宇宙體系之外,可能還有其他的宇宙體系。對此,科學家正在探索之中。
② 宇宙膨脹學說認為宇宙是在不斷地膨脹著的。廣義相對論的效應之一為恒星的光譜紅移,在天文學家看來,這意味著星系是在作著離開我們的運動,也就是退行。如果宇宙中所有的星系都在退行,那么就好象一個氣球上各點之間由于氣球膨脹而距離增大一樣,說明宇宙在膨脹。1929年美國天文學家哈勃(1889—1953年)發現星系退行速度和離我們的距離成正比,也就是離我們越遠的星系退行速度越快。這個規律叫哈勃定理,后來不斷得到天文觀測資料的證實。
大爆炸學說認為宇宙起源于一個超高溫、超高密度的“宇宙蛋”,由于某種原因突然發生大爆炸,其碎片向四面八方飛去,形成了無數的星系。br>① 廣義相對論認為,引力是靠引力波傳遞的,就象電磁力靠電磁波傳遞一樣。加速運動的電荷會發出電磁波,加速運動的質量也將發射引力波。引力波的速度與真空中的光速(每秒約30萬公里)相等。
② 引力場是表征物質之間相互吸引作用的場。物體之間的萬有引力作用就是通過引力場來傳遞的。其特點是:在場的同一點上,任何質量的物體都得到同樣的加速度,例如在地球表面附近的引力場中,這種加速度相當于重力加速度。
電磁場是相互依存的電場和磁場的總稱,它是物質存在的一種形式。
統一場論為企圖把電磁、引力、強相互作用、弱相互作用等各種作用力統一起來的理論。