狹義與廣義相對論淺説

本書分三個部分：狹義相對論、廣義相對論、關於整個宇宙的一些考慮，外加一個附錄。本書以最簡單、最明瞭的方式介紹了相對論的主要概念，並大體按照相對論實際創生的次序和聯繫來敍述。

《狹義與廣義相對論淺説》導讀

序

第十五版説明

第一部分 狹義相對論

1.幾何命題的物理意義

2.座標系

3.經典力學中的空間和時間

4.伽利略座標系

5.相對性原理(狹義)

6.經典力學中所用的速度相加定理

7.光的傳播定律與相對性原理的表面牴觸

8.物理學的時間觀

9.同時性的相對性

10.距離概念的相對性

11.洛倫茲變換

12.量杆和鍾在運動時的行為

13.速度相加定理斐索實驗

14.相對論的啓發作用

15.狹義相對論的普遍性結果

16.經驗和狹義相對論

17.閔可夫斯基四維空間

第二部分 廣義相對論

18.狹義和廣義相對性原理

19.引力場

20.慣性質量和引力質量相等是廣義相對性公理的一個論據

21.經典力學的基礎和狹義相對論的基礎在哪些方面不能令人滿意

22.廣義相對性原理的幾個推論

23.在轉動的參考物體上的鐘和量杆的行為

24.歐幾里得和非歐幾里得連續區域

25.高斯座標

26.狹義相對論的空時連續區可以當做歐幾里得連續區

27.廣義相對論的空時連續區不是歐幾里得連續區

28.廣義相對性原理的嚴格表述.

29.在廣義相對性原理的基礎上解引力問題

第三部分 關於整個宇宙的一些考慮

30.牛頓理論在宇宙論方面的困難

31.一個“有限”而又“無界”的宇宙的可能性

32.以廣義相對論為依據的空間結構

附錄Ⅰ

1.洛倫茲變換的簡單推導

2.閔可夫斯基四維空問(“世界”)

3.廣義相對論的實驗證實

4.以廣義相對論為依據的空間結構

5.相對論與窄問問題

附錄Ⅱ

1.自述

2.自述片段

3.以太和相對論

4.物理學中的空間、以太和場的問題

5.相對性：相對論的本質

6.論動體的電動力學

7.關於統一場論 ^[1] 

相對論作為物理學的重要組成部分，是近代物理學的兩大支柱之一。它的創立者愛因斯坦是一位享有盛譽的科學家。那麼，相對論是一種什麼樣的理論，愛因斯坦又是怎樣的人呢。　本書是愛因斯坦豐富博大的科學成果中一部比較淺顯的著述。通過此書，可使讀者對相對論有初步的接觸，從而打下一定烙印，受到一些啓迪。這是一種對神秘宮殿的初步探求，也是一種對制高點的初步領略。相信，走近愛因斯坦，瞭解相對論，對於知識結構的調整，思維方法的啓迪，科學精神的激發，都會大有裨益。　彩色插圖·超值珍藏。　“你和一個漂亮姑娘在公園長椅上坐一小時，覺得只過了一分鐘；你緊挨着一個火爐坐一分鐘，卻覺得過了一小時。這就是相對論。” 　愛因斯坦常常這樣向媒體和公眾開玩笑。相對論為什麼會受到如此狂熱追捧，連愛因斯坦本人也覺得不可思議。　科學元典是科學史和人類文明史上劃時代的豐碑，是人類文化的優秀遺產，是歷經時間考驗的不朽之作，它們不僅是科學創造的結晶，而且是科學精神、科學思想和科學方法的載體，具有永恆的意義和價值。讓我們一起仰望先賢，回眸歷史，體悟原汁原味的科學發現。

本書的目的，是儘可能使那些從一般科學和哲學的角度對相對論有興趣而又不熟悉理論物理的數學工具的讀者對相對論有一個正確的瞭解。本書假定讀者已具備相當於大學入學考試的知識水平，而且，儘管本書篇幅不長，讀者仍須具有相當大的耐心和毅力。作者力求以最簡單、最明瞭的方式來介紹相對論的主要概念，並大體上按照其實際創生的次序和聯繫來敍述。為了便於明瞭起見，我感到不能不經常有所重複，而不去考慮文體的優美與否。我嚴謹地遵照傑出的理論物理學家玻耳茲曼的格言，即形式是否優美的問題應該留給裁縫和鞋匠去考慮。但是我不敢説這樣已可為讀者解除相對論中固有的難處。另一方面，我在論述相對論的經驗性物理基礎時，又有意識地採用了“繼母”式的做法，以便不熟悉物理的讀者不致感到像一個只見樹木不見森林的迷路人。但願本書能為某些讀者招致愉快的思考時間。　愛因斯坦　1916年12月

2020年4月，列入《教育部基礎教育課程教材發展中心 中小學生閲讀指導目錄（2020年版）》。 ^[2] 

愛因斯坦作為一個著名的科學家，不僅創造了深奧的相對論理論，而且試圖把這種深奧的科學理論讓更多的人瞭解，於是他寫作了《狹義與廣義相對論淺説》。這本書分為兩部分：《狹義相對論》（1905年發表），《廣義相對論》（1915年發表）。《狹義與廣義相對論淺説》是物理學科中的重要經典著作之一，也是愛因斯坦親自對他的相對論所做的大眾化解釋。

愛因斯坦根據自然科學和幾何學發展狀況，批判了歐幾里得幾何，接受和運用了非歐幾何，並運用非歐幾何來建立和論證他的相對論理論。

狹義相對論有兩個基本原理：第一個原理是相對性原理，即物理學定律在所有慣性系中是相同的，不存在一種特殊的慣性系。時間與空間觀念都具有相對性。一個觀察者看來是同時發生的事件，另一個向他做相對運動的觀察者看來便不是同時發生的。兩個這樣的觀察者對兩個事件之間的時間間隔的估計將會不一致，同時他們對距離的衡量也會不一致。假定兩個相對勻速運動的觀察者所得到的光速相同，那麼只要他們對時間與空間運用不同的量度，就能對於現象得到相同的自然規律，並能精確地説明這種差別有多少。換句話説， 每個觀察者都有自己一套時間———空間的框架，對於一切觀察者全都相同的絕對空間時間是不存在的。

第二個原理是光速不變原理，即在所有的慣性系中，真空中光的速度具有相同的值。假定一個觀察者，帶着一把碼尺和一隻座鐘，並把碼尺指向他運動的方向。當他向觀察者B旁邊走過時，在A看來他的尺子不足一碼長，他的鐘也慢了。B 相對於A的速度愈大，這差額也就愈大。假如B用光速在A的旁邊通過，我們得到的結果是驚人的，這時B的碼尺長度將等於0，他的鐘也完全不走了。這就是説光速是速度的極限，宇宙間沒有任何東西能以大於光速的速度運動。運動尺子的縮短和運動時鐘的變慢效應，都是相對論時空的基本屬性，與物體內部結構無關。如果物體速度比光速小得多，相對論力學就可解釋牛頓力學。

在相對論之前，物理學中承認兩條極重要的守恆定律，一條是能量守恆定律，一條是質量守恆定律，兩條基本定律似乎彼此獨立。但通過相對論它們便可結合成一條定律，質量和能量可以變成互換的項目。一個物體如果放射出能量就會損失質量，如果接受能量就會增加質量，當一物體加快運動時，它的能量和質量都會增加，在光速的情況下，它的質量將變成無窮大。這個質量與能量的關係可以通過數學上推導，寫成一個表達式：E=mc^2 E為能量，m為質量，c為光速。

建立狹義相對論後，愛因斯坦看到了這個理論的侷限性，因為它把相對性原理限制在兩個做相對勻速運動的慣性系裏。它否定了靜止的以太陽作為特殊的座標系是一大進步，但實際上還沒有真正解決經典力學中的古老難題。