文/全歷史一口
1905年6月，愛因斯坦發(fā)表《論運(yùn)體的電動(dòng)熱學(xué)》，完整地提出了狹義相對(duì)論理論。1916年，《廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)》發(fā)表；同年末，愛因斯坦又寫了《狹義與廣義相對(duì)論概說》。
至此，相對(duì)論理論的建立基本完成。
其中，狹義相對(duì)論適用于所有沒有引力或引力作用可以忽視不計(jì)的化學(xué)現(xiàn)象，廣義相對(duì)論則討論了有引力作用時(shí)的化學(xué)現(xiàn)象，適用于天體化學(xué)學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域。
相對(duì)論改變了20世紀(jì)的理論化學(xué)學(xué)和天文學(xué)，代替了牛頓創(chuàng)辦的精典熱學(xué)體系和時(shí)空觀念，和量子熱學(xué)一起奠定了現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)的基礎(chǔ)。它引入的一些概念，如彎曲時(shí)空、時(shí)空穿越、時(shí)間膨脹、多維空間等等，更新了人類對(duì)宇宙和自然的常識(shí)性觀念。
按照廣義相對(duì)論，因?yàn)橛形镔|(zhì)的存在，物質(zhì)和時(shí)間（時(shí)空）會(huì)發(fā)生彎曲，時(shí)空彎曲的是質(zhì)量（能量）導(dǎo)致的結(jié)果，萬有引力是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)
廣義和狹義相對(duì)論的具體內(nèi)容究竟是哪些呢？
首先，狹義相對(duì)論是關(guān)于時(shí)空結(jié)構(gòu)的理論，是對(duì)牛頓的絕對(duì)時(shí)空理論的拓展，它基于兩條基本假定：一是狹義相對(duì)性原理，即數(shù)學(xué)定理對(duì)于任何慣性參考系（靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系）中的所有觀察者都是相同的；二是光速不變?cè)恚凑婵罩械墓馑僭谌魏螀⒖枷迪露际呛愣ú蛔兊某?shù)，且與光源的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。
愛因斯坦在這兒抒發(fā)的主要觀點(diǎn)是，時(shí)間和空間并不是互相獨(dú)立的，而是緊密聯(lián)系的一個(gè)整體，即時(shí)空統(tǒng)一的觀念。時(shí)間流速和物體運(yùn)動(dòng)的速率有關(guān)，物體在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)形成時(shí)間膨脹和尺縮效應(yīng)。后者是指一個(gè)物體相對(duì)于一個(gè)慣性參考系作高速運(yùn)動(dòng)，它的時(shí)間會(huì)發(fā)生膨脹，大約可以理解成它的1秒相當(dāng)于慣性參考系的兩秒，但它們各自感遭到的時(shí)間流逝速率是正常的。前者則是指相對(duì)于慣性參考系運(yùn)動(dòng)的物體，在慣性參考系下看它，它的尺度會(huì)變短。
廣義相對(duì)論則是描述物質(zhì)間引力互相作用的理論，在這一理論中，愛因斯坦首次把引力場(chǎng)解釋成時(shí)空的彎曲，一個(gè)物體質(zhì)量越大引起的時(shí)空扭曲程度越大。它的兩個(gè)基本原理是：等效原理，即慣性力場(chǎng)與引力場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)是局部不可區(qū)分的；廣義相對(duì)性原理，即“任意非慣性座標(biāo)系中的數(shù)學(xué)規(guī)律等同于遭到等效引力的座標(biāo)系中的數(shù)學(xué)規(guī)律”，物體的慣性質(zhì)量恒等于引力質(zhì)量。
這么，愛因斯坦為什么才能提出相對(duì)論呢？
首先，精典數(shù)學(xué)學(xué)理論體系的內(nèi)在邏輯的矛盾性亟需解決。
從根本上說，狹義相對(duì)論就是由于精典數(shù)學(xué)學(xué)理論體系的內(nèi)在邏輯的不統(tǒng)一性——牛頓熱學(xué)與麥克斯韋電動(dòng)熱學(xué)的不統(tǒng)一性而成立的。
這些不統(tǒng)一性是以光的傳播定理與相對(duì)性原理在精典熱學(xué)框架下的矛盾呈現(xiàn)的。
光的傳播定理是說，光在真空中相對(duì)于一切慣性系在各方向上的速率都可視作一個(gè)常數(shù)，與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。
假如我們借助伽利略變換（精典熱學(xué)中轉(zhuǎn)換兩個(gè)以勻速做相對(duì)聯(lián)通的參考系的方式），將麥克斯韋的電動(dòng)熱學(xué)方程式從一個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到另一個(gè)坐標(biāo)系中，卻會(huì)發(fā)覺光速改變了。
這樣一來切中精典數(shù)學(xué)學(xué)核心——絕對(duì)時(shí)空觀的伽利略變化和電動(dòng)熱學(xué)的奠基理論麥克斯韋方程式就發(fā)生了沖突。
麥克斯韋方程式在許多實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)良好，不但預(yù)測(cè)了電磁波(光)的存在，但是對(duì)于電場(chǎng)磁場(chǎng)的描述也非常正確，而伽利略轉(zhuǎn)換則是精典數(shù)學(xué)學(xué)的基礎(chǔ)。
在20世紀(jì)初，這一問題困惑著許多化學(xué)學(xué)家，這兩個(gè)方程式任何一者出了錯(cuò)，對(duì)于數(shù)學(xué)界都是災(zāi)難。
麥克斯韋是精典電動(dòng)熱學(xué)創(chuàng)始人，其專著《論電和磁》被覺得是繼牛頓的《自然哲學(xué)的物理原理》之后最重要的數(shù)學(xué)學(xué)精典之一
愛因斯坦選擇將光速恒定律論引入狹義相對(duì)論，用狹義相對(duì)性原理修正伽利略變換。對(duì)于狹義相對(duì)性原理，愛因斯坦明白地給出了定義：假如一個(gè)座標(biāo)系B相對(duì)于座標(biāo)系A(chǔ)作勻速運(yùn)動(dòng)而無轉(zhuǎn)動(dòng)，這么自然現(xiàn)象相對(duì)于座標(biāo)系B的發(fā)展所遵守的普遍定理將與相對(duì)于座標(biāo)系A(chǔ)相同。所有慣性座標(biāo)系滿足完全相同的化學(xué)規(guī)律，它們之間都是對(duì)等的，沒有那個(gè)是特殊的。它們之間的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的而非絕對(duì)的。
1905年，愛因斯坦發(fā)表了他關(guān)于相對(duì)論的論文。同年9月，他又寫了短文《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？》作為狹義相對(duì)論的一個(gè)結(jié)論。質(zhì)能相當(dāng)性是原子核化學(xué)學(xué)和粒子化學(xué)學(xué)的理論基礎(chǔ)，為20世紀(jì)40年代實(shí)現(xiàn)的核能的釋放和借助開辟了公路。
其次，狹義相對(duì)論打破了牛頓的精典時(shí)空觀念，為廣義相對(duì)論的構(gòu)建做了鋪墊。
狹義相對(duì)論構(gòu)建后，愛因斯坦曾力圖把相對(duì)性原理的適用范圍推廣到非慣性系。他從伽利略發(fā)覺的引力場(chǎng)中一切物體都具有同一加速度這一古老實(shí)驗(yàn)事實(shí)找到了突破口，于1907年提出了等效原理。
本質(zhì)上，所有的化學(xué)學(xué)問題都涉及采用那個(gè)時(shí)空觀的問題。在二十世紀(jì)曾經(jīng)的精典化學(xué)學(xué)里，人們采用的是牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀。而相對(duì)論的提出改變了這些時(shí)空觀，這就造成人們必須依相對(duì)論的要求對(duì)精典化學(xué)學(xué)的公式進(jìn)行改寫，以使其具有相對(duì)論所要求的洛倫茲協(xié)變性而不是往年的伽利略協(xié)變性。
在這兒，還須要說明一下伽利略變換和洛倫茲變換的含意：后者是指地面座標(biāo)系，和相對(duì)于地面速率V的座標(biāo)系中，同一束光的速率不可能相同；前者是指若果時(shí)空結(jié)構(gòu)不是固定不變的，這么就可以做到所有慣性系中的光速都相同。
在精典理論化學(xué)的三大領(lǐng)域，電動(dòng)熱學(xué)本身就是洛倫茲協(xié)變的，無需改寫；統(tǒng)計(jì)熱學(xué)有一定的特殊性，但這一特殊性并不帶來好多急需解決的原則上的困難；而精典熱學(xué)大部份都可以成功的改寫為相對(duì)論方式，以使其可以拿來更好的描述高速運(yùn)動(dòng)下的物體，惟獨(dú)牛頓的萬有引力理論未能在狹義相對(duì)論的框架體系下改寫，這直接造成愛因斯坦擴(kuò)充其狹義相對(duì)論，而得到了廣義相對(duì)論。
1911年，他發(fā)覺引力場(chǎng)中歐氏幾何并不嚴(yán)格有效。同時(shí)還發(fā)覺洛倫茲變化不是普遍的，等效原理只對(duì)無限小區(qū)域有效……這時(shí)的愛因斯坦早已有了廣義相對(duì)論的思想，但他還缺少完善它所必需的物理基礎(chǔ)。
次年，他在黎曼幾何和張量剖析中找到了完善廣義相對(duì)論的物理工具。
1913年，他和物理家格羅斯曼合作發(fā)表了《廣義相對(duì)論綱要和引力理論》，提出了引力的度規(guī)場(chǎng)理論，首次把引力和度規(guī)結(jié)合上去，使黎曼幾何獲得實(shí)在的數(shù)學(xué)意義。
不過它們當(dāng)時(shí)得到的引力場(chǎng)等式只對(duì)線性變換是協(xié)變的，還不具有廣義相對(duì)論原理所要求的任意座標(biāo)變換下的協(xié)變性。
1915年11月4日，在第一篇論文中他得到了滿足守恒定理的普遍協(xié)變的引力場(chǎng)多項(xiàng)式，但加了一個(gè)何必要的限制。1915年11月25日，在《引力的場(chǎng)多項(xiàng)式》中，他舍棄了對(duì)變換群的何必要限制，完善了真正普遍協(xié)變的引力場(chǎng)多項(xiàng)式，宣告廣義相對(duì)論作為一種邏輯結(jié)構(gòu)總算完成了。
1917年，愛因斯坦用廣義相對(duì)論的結(jié)果來研究宇宙的時(shí)空結(jié)構(gòu)，發(fā)表了開創(chuàng)性的論文《根據(jù)廣義相對(duì)論對(duì)宇宙所做的考察》。論文剖析了“宇宙在空間上是無限的”這一傳統(tǒng)觀念，強(qiáng)調(diào)它同牛頓引力理論和廣義相對(duì)論都是不協(xié)調(diào)的。他覺得，惟一可能的解決辦法是把宇宙看作是一個(gè)具有有限空間容積的自身閉合的連續(xù)區(qū)，以科學(xué)論點(diǎn)推測(cè)宇宙在空間上是有限無邊的。
1937年，在兩個(gè)助手合作下，他從廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)多項(xiàng)式推導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)多項(xiàng)式，進(jìn)一步闡明了空間——時(shí)間、物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)之間的統(tǒng)一性，這是廣義相對(duì)論的重大發(fā)展，也是愛因斯坦取得的最后一個(gè)重大成果。
相對(duì)論對(duì)于現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)的發(fā)展和現(xiàn)代人類思想的發(fā)展都有巨大的影響。
首先，相對(duì)論從邏輯思想上統(tǒng)一了精典數(shù)學(xué)學(xué)，使精典數(shù)學(xué)學(xué)成為一個(gè)完美的科學(xué)體系。
狹義相對(duì)論在狹義相對(duì)性原理的基礎(chǔ)上統(tǒng)一了牛頓熱學(xué)和麥克斯韋電動(dòng)熱學(xué)兩個(gè)體系，強(qiáng)調(diào)她們都服從狹義相對(duì)性原理，都是對(duì)洛倫茲變換協(xié)變的，牛頓熱學(xué)只不過是物體在低速運(yùn)動(dòng)下挺好的近似規(guī)律。
廣義相對(duì)論又在廣義協(xié)變的基礎(chǔ)上，通過等效原理，完善了局域慣性長(zhǎng)于普遍參照系數(shù)之間的關(guān)系，得到了所有數(shù)學(xué)規(guī)律的廣義協(xié)變型式，并完善了廣義協(xié)變的引力理論，而牛頓引力理論知識(shí)它的一級(jí)近似。
愛因斯坦
這就從根本上解決了先前數(shù)學(xué)學(xué)只限于慣性系數(shù)的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對(duì)論嚴(yán)格地考察了時(shí)間、空間、物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)這種數(shù)學(xué)學(xué)的基本概念，給出了科學(xué)而系統(tǒng)的時(shí)空觀和物質(zhì)觀，進(jìn)而使數(shù)學(xué)學(xué)的邏輯上成為完美的科學(xué)體系。
其次，開啟了微觀粒子世界的研究，為原子時(shí)代和民航時(shí)代的到來奠定了理論基礎(chǔ)。
狹義相對(duì)論給出了物體在高速運(yùn)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并提示了質(zhì)量與能量相當(dāng)，給出了質(zhì)能關(guān)系式。這兩項(xiàng)成果對(duì)低速運(yùn)動(dòng)的宏觀物體并不顯著，但在研究微觀粒午時(shí)卻顯示了極端的重要性。由于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)速率通常都比較快，有的接近甚至達(dá)到光速，所以粒子的化學(xué)學(xué)離不開相對(duì)論。質(zhì)能關(guān)系式除了為量子理論的完善和發(fā)展創(chuàng)造了必要的條件，并且為原子核化學(xué)學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用提供了依據(jù)。
廣義相對(duì)論構(gòu)建了建立的引力理論，而引力理論主要涉及的是天體。到如今，相對(duì)論宇宙學(xué)進(jìn)一步發(fā)展經(jīng)典物理相對(duì)論和量子物理，而引力波數(shù)學(xué)、致密天體化學(xué)和黑洞化學(xué)那些屬于相對(duì)論天體化學(xué)學(xué)的分支學(xué)科都有一定的進(jìn)展，吸引了許多科學(xué)家進(jìn)行研究。
1955年，愛因斯坦去世，一位荷蘭化學(xué)學(xué)家給出這樣的評(píng)論：在我們這一時(shí)代的數(shù)學(xué)學(xué)屋內(nèi)經(jīng)典物理相對(duì)論和量子物理，愛因斯坦將坐落最前列。他如今是、將來也還是人類宇宙中最有光輝的球星之一。