《狭义与广义相对论浅说》是2006年1月1日北京大学出版社出版的图书，该书作者是（美）阿尔伯特·爱因斯坦，译者是杨润殷。

相对论作为物理学的重要组成部分，是近代物理学的两大支柱之一。它的创立者爱因斯坦是一位享有盛誉的科学家。那么，相对论是一种什么样的理论？爱因基坦又是怎样的人呢？

本书是爱因斯坦丰富博大的科学成果中一部比较浅显的著述。通过此书，可使读者对相对论有初步的接触，从而打下一定烙印，受到一些启迪。这是一种对神秘宫殿的初步探求，也是一种对制高点的初步领略。相信，走近爱因斯坦，了解相对论，对于知识结构的调整，思维方法的启迪，科学精神的激发，都会大有裨益。

“你和一个漂亮姑娘在公园长椅上坐一小时，觉得只过了一分钟；你紧挨着一个火炉坐一分钟，却觉得过了一小时。这就是相对论。”阿尔伯特·爱因斯坦常常这样向媒体和公众开玩笑。相对论为什么会受到如此狂热追捧？连爱因斯坦本人也觉得不可思议！

科学元典是科学史和人类文明史上划时代的丰碑，是人类文化的优秀遗产，是历经时间考验的不朽之作，它们不仅是科学创造的结晶，而且是科学精神、科学思想和科学方法的载体，具有永恒的意义和价值。让我们一起仰望先贤，回眸历史，体悟原汁原味的科学发现。

《狭义与广义相对论浅说》导读

序

第十五版说明

第一部分狭义相对论

1.几何命题的物理意义

2.坐标系

3.经典力学中的空间和时间

4.伽利略坐标系

5.相对性原理(狭义)

6.经典力学中所用的速度相加定理

7.光的传播定律与相对性原理的表面抵触

8.物理学的时间观

9.同时性的相对性

10.距离概念的相对性

11.洛伦兹变换

12.量杆和钟在运动时的行为

13.速度相加定理斐索实验

14.相对论的启发作用

15.狭义相对论的普遍性结果

16.经验和狭义相对论

17.赫尔曼·闵可夫斯基四维空间

第二部分 广义相对论

18.狭义和广义相对性原理

19.引力场

20.惯性质量和引力质量相等是广义相对性公理的一个论据

21.经典力学的基础和狭义相对论的基础在哪些方面不能令人满意

22.广义相对性原理的几个推论

23.在转动的参考物体上的钟和量杆的行为

24.欧几里得和非欧几里得连续区域

25.gaussian坐标

26.狭义相对论的空时连续区可以当做欧几里得连续区

27.广义相对论的空时连续区不是欧几里得连续区

28.广义相对性原理的严格表述.

29.在广义相对性原理的基础上解引力问题

第三部分 关于整个宇宙的一些考虑

30.牛顿理论在宇宙论方面的困难

31.一个“有限”而又“无界”的宇宙的可能性

32.以广义相对论为依据的空间结构

附录Ⅰ

1.洛伦兹变换的简单推导

2.赫尔曼·闵可夫斯基四维空问(“世界”)

3.广义相对论的实验证实

4.以广义相对论为依据的空间结构

5.相对论与窄问问题

附录Ⅱ

1.自述

2.自述片段

3.以太和相对论

4.物理学中的空间、以太和场的问题

5.相对性：相对论的本质

6.论动体的电动力学

7.关于统一场论

本书的目的，是尽可能使那些从一般科学和哲学的角度对相对论有兴趣而又不熟悉理论物理的数学工具的读者对相对论有一个正确的了解。本书假定读者已具备相当于大学入学考试的知识水平，而且，尽管本书篇幅不长，读者仍须具有相当大的耐心和毅力。作者力求以最简单、最明了的方式来介绍相对论的主要概念，并大体上按照其实际创生的次序和联系来叙述。为了便于明了起见，我感到不能不经常有所重复，而不去考虑文体的优美与否。我严谨地遵照杰出的理论物理学家路德维希·玻尔兹曼的格言，即形式是否优美的问题应该留给裁缝和鞋匠去考虑。但是我不敢说这样已可为读者解除相对论中固有的难处。另一方面，我在论述相对论的经验性物理基础时，又有意识地采用了“继母”式的做法，以便不熟悉物理的读者不致感到像一个只见树木不见森林的迷路人。但愿本书能为某些读者招致愉快的思考时间。阿尔伯特·爱因斯坦　1916年12月

爱因斯坦作为一个著名的科学家，不仅创造了深奥的相对论理论，而且试图把这种深奥的科学理论让更多的人了解，于是他写作了《狭义与广义相对论浅说》。这本书分为两部分：《狭义相对论》（1905年发表），《广义相对论》（1915年发表）。《狭义与广义相对论浅说》是物理学科中的重要经典著作之一，也是爱因斯坦亲自对他的相对论所做的大众化解释。

爱因斯坦根据自然科学和几何学发展状况，批判了欧几里得几何，接受和运用了非欧几里得几何，并运用非欧几何来建立和论证他的相对论理论。

狭义相对论有两个基本原理：第一个原理是相对性原理，即物理学定律在所有惯性系中是相同的，不存在一种特殊的惯性系。时间与空间观念都具有相对性。一个观察者看来是同时发生的事件，另一个向他做相对运动的观察者看来便不是同时发生的。两个这样的观察者对两个事件之间的时间间隔的估计将会不一致，同时他们对距离的衡量也会不一致。假定两个相对匀速运动的观察者所得到的光速相同，那么只要他们对时间与空间运用不同的量度，就能对于现象得到相同的自然规律，并能精确地说明这种差别有多少。换句话说，每个观察者都有自己一套时间———空间的框架，对于一切观察者全都相同的绝对空间时间是不存在的。

第二个原理是光速不变原理，即在所有的惯性系中，真空中光的速度具有相同的值。假定一个观察者，带着一把码尺和一只座钟，并把码尺指向他运动的方向。当他向观察者B旁边走过时，在A看来他的尺子不足一码长，他的钟也慢了。B 相对于A的速度愈大，这差额也就愈大。假如B用光速在A的旁边通过，我们得到的结果是惊人的，这时B的码尺长度将等于0，他的钟也完全不走了。这就是说光速是速度的极限，宇宙间没有任何东西能以大于光速的速度运动。运动尺子的缩短和运动时钟的变慢效应，都是相对论时空的基本属性，与物体内部结构无关。如果物体速度比光速小得多，相对论力学就可解释牛顿力学。

在相对论之前，物理学中承认两条极重要的守恒定律，一条是能量守恒定律，一条是质量守恒定律，两条基本定律似乎彼此独立。但通过相对论它们便可结合成一条定律，质量和能量可以变成互换的项目。一个物体如果放射出能量就会损失质量，如果接受能量就会增加质量，当一物体加快运动时，它的能量和质量都会增加，在光速的情况下，它的质量将变成无穷大。这个质量与能量的关系可以通过数学上推导，写成一个表达式：E=mc^2 (E为能量，m为质量，c为光速）。

建立狭义相对论后，阿尔伯特·爱因斯坦看到了这个理论的局限性，因为它把相对性原理限制在两个做相对匀速运动的惯性系里。它否定了静止的以太阳作为特殊的坐标系是一大进步，但实际上还没有真正解决经典力学中的古老难题。

早在200年前，伽利略·伽利莱就发现，所有的惯性系，对于表述力学定律都是同样有效的，平等的，不存在任何特殊的惯性系，这就是说，任何力学实验都无法辨别惯性系本身的运动状态。这种运动的相对性，在古典力学中普遍存在，但在麦克思韦电动力学中不能成立，因为它只适用于静止的坐标系。经典力学是无法回到惯性系在物理学中的优越性的，因此阿尔伯特·爱因斯坦意识到要进一步探明这个问题，就必须扩大相对性原理的应用范围。他将自己的研究领域从惯性系拓展到了非惯性系。

在古典力学中，物质有两种质量。一是牛顿第二运动定律中的惯性质量，二是万有引力定律中的引力质量。地球表面上的任何一个物体都要受到地球对它的引力，并因此会产生加速度。实验告诉人们，一切自由落体在引力作用下都具有同样的加速度。由此可以推算，引力质量与惯性质量是相等的。牛顿曾经研究过这个问题，但没有得到理论上的解释。长期以来，物理学家一直认为两种质量相等是理所当然的，无需从理论上再加以研究。阿尔伯特·爱因斯坦经过一段时间认真思索，认识到惯性质量与引力质量相等是解决引力问题的关键。以两种质量相等为基础，他提出著名的等效原理：一个加速系统所看到的运动与存在引力场的惯性系统所看到的运动完全相同。爱因斯坦说：完全等效性这一假说，使我们不能说任何参照系有绝对速度一样，并且它使一切在引力场中等加速下落成为当然的事。在“等效原理”的基础上，他又进一步提出了“广义协变原理”：在任何参照系中，物理学规律的数学形式是相同的。就这样，他把相对性原理从惯性系推广到非惯性系。正因为“广义协变原理”是狭义相对论的相对性原理的一种推广，所以阿尔伯特·爱因斯坦把这种引力理论称为“广义相对论”。

广义相对论实质上是一种引力理论，在有引力场的区域，空间的性质不再服从欧几里得几何，而遵循着非欧几里得几何。比如19世纪德国数学家伯恩哈德·黎曼所建立的黎曼几何学就是非欧几何学的一种，它描写了非平直空间的性质。爱因斯坦最终选择了黎曼的严格非欧几何作为广义相对论的时空模型。他认为，现实的物质空间不是平直的欧几里得空间，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在空间的几何分布情况。物质密度大的地方，则引力场的强度也大，时空就弯曲得厉害。所以把绝对真空看作一个物理实体是毫无意义的。很显然，广义相对论所揭示的物质同时空的关系，比起狭义相对论来更为深刻。因为时空的性质不仅取决于物质的运动，而且更重要的是取决于物质本身的分布。这就从新的高度彻底否定了艾萨克·牛顿的绝对时空观。

广义相对论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。它同牛顿的引力论有本质的不同，但在日常人们接触到的现象中却分辨不出两者结果的差异。阿尔伯特·爱因斯坦提供了三个可供实验验证的推论。第一是水星轨道近日点的进动。第二，光线在引力场中的偏转。第三，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。