□作者: 徐冬松

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　　鉴于以后的章节所涉及的内容，这里有必要用一点时间介绍一下相对论。
　　
　　应该说后来一切不可思议的变革都是从“光速不变原理”开始的。
　　
　　首先人们意识到光速是有限的。1676年，丹麦天文学家欧尔·克里斯琴森·麦罗发现，木星的卫星不是以等间隔的时间从木星背后绕出来，木星由于公转离开地球越远，则时间间隔就越长。他指出，因为木星离开我们越远时，光从木星发出后到达地球所需的时间就越长。这表明光不是无穷快的。
　　
　　将近两200年之后，英国的物理学家詹姆斯·麦克斯韦于1865年提出著名的“麦克斯韦方程”。这个描述电磁波的方程成为光传播的真正理论。该理论预言，电磁波应以某一固定的速度运动。但牛顿力学已经摆脱了绝对静止的观念，速度是相对的，那么光速选择哪个参照物来测量呢？于是人们提出，在真空中存在一种弹性极好的物质——“以太”，光是以它为介质传播的。1887年的“麦克尔逊——莫雷实验”却打破了人们的这一假说。这两个人在地球自转的切线方向和垂线方向上分别对光速进行精确的测量。他们预想切向上测得光速将大于法向上测得的结果，而结果是这两个光速完全一样。
　　
　　这之后，一位叫做阿尔伯特·爱因斯坦的瑞士专利局职员在他的一篇论文中指出，如果人们愿意抛弃绝对时间的观念，那么整个以太的概念完全是多余的。这一年是1905年，这篇论文就是赫赫有名的“狭义相对论”。爱因斯坦指出，当光从光源发出后，任何匀速运动的观察者都将测量到同样的光速。光速不变原理使原来人们从未怀疑过的绝对时间化为乌有，并进而得出运动尺变短，运动钟变慢的推论。
　　
　　其实光速不变原理在生活中随处可见，只是人们从未意识到这一点。
　　
　　譬如一个人朝我们掷一石块，那么石块离开手时的速率是最快的。如果光速与光源的速率可以叠加的话，石块出手时的光速应该大于在这之前的光速，因此我们将看到石块先出手，然后才看到投掷的动作。这显然与我们日常的经验不符。
　　
　　至于光速为什么会有这种特性，爱因斯坦在思考了多年后说：“光很奇特，但我们并不必对其穷究，因为它就是那样一种物质。”
　　
　　但狭义相对论与引力理论存在不相协调之处。引力理论指出：物体间的吸引力依赖于它们之间的质量和距离，这就意味着如果我们移动一个物体，另一个物体所受的引力就会立即改变，这种情形下引力效应就将以无限的速度传递，而不象狭义相对论所要求的那样，只能低于光速。
　　
　　在经过多次失败的尝试之后，爱因斯坦终于提出了革命性的“广义相对论”。
　　
　　广义相对论指出，引力不同于其它的力，“它是由于物质质量的存在而发生的空间—时间的扭曲。”例如我们的地球，在广义相对论看来，它并非是由于引力的作用而沿着椭圆轨道运动，而是沿着弯曲的空间中最接近直线的被称为“测地线”的轨迹运动。（我们在地面上以直线行走，实际上走的是地球球体表面的一段弧，该弧所在平面穿过地球球心，这段弧称为测地线。这是地球表面最接近直线的轨迹。）这条轨迹是地球在不平坦的空间—时间中走过的最短距离。由于太阳质量所引起的空间—时间的弯曲，虽然在四维的空间中地球以直线运动，但我们在三维的空间中看起来却是沿着一个椭圆周在行进。
　　
　　这就好比一架飞机在山区上空飞行，它虽然在三维空间中以直线行进，但它在崎岖的二维地面上的投影却是沿着弯曲的轨迹运动。同样，光也必须沿着测地线走，它也不能避免被引力场所折弯。在以后讲述大爆炸和黑洞奇点的章节中，我们将会对此有更深的体会。