□作者: 徐冬松

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　　鑒于以後的章節所涉及的內容，這里有必要用一點時間介紹一下相對論。
　　
　　應該說後來一切不可思議的變革都是從“光速不變原理”開始的。
　　
　　首先人們意識到光速是有限的。1676年，丹麥天文學家歐爾•克里斯琴森•麥羅發現，木星的衛星不是以等間隔的時間從木星背後繞出來，木星由于公轉離開地球越遠，則時間間隔就越長。他指出，因為木星離開我們越遠時，光從木星發出後到達地球所需的時間就越長。這表明光不是無窮快的。
　　
　　將近兩200年之後，英國的物理學家詹姆斯•麥克斯韋于1865年提出著名的“麥克斯韋方程”。這個描述電磁波的方程成為光傳播的真正理論。該理論預言，電磁波應以某一固定的速度運動。但牛頓力學已經擺脫了絕對靜止的觀念，速度是相對的，那麼光速選擇哪個參照物來測量呢？于是人們提出，在真空中存在一種彈性極好的物質——“以太”，光是以它為介質傳播的。1887年的“麥克爾遜——莫雷實驗”卻打破了人們的這一假說。這兩個人在地球自轉的切線方向和垂線方向上分別對光速進行精確的測量。他們預想切向上測得光速將大于法向上測得的結果，而結果是這兩個光速完全一樣。
　　
　　這之後，一位叫做阿爾伯特•愛因斯坦的瑞士專利局職員在他的一篇論文中指出，如果人們願意拋棄絕對時間的觀念，那麼整個以太的概念完全是多余的。這一年是1905年，這篇論文就是赫赫有名的“狹義相對論”。愛因斯坦指出，當光從光源發出後，任何勻速運動的觀察者都將測量到同樣的光速。光速不變原理使原來人們從未懷疑過的絕對時間化為烏有，並進而得出運動尺變短，運動鐘變慢的推論。
　　
　　其實光速不變原理在生活中隨處可見，只是人們從未意識到這一點。
　　
　　譬如一個人朝我們擲一石塊，那麼石塊離開手時的速率是最快的。如果光速與光源的速率可以疊加的話，石塊出手時的光速應該大于在這之前的光速，因此我們將看到石塊先出手，然後才看到投擲的動作。這顯然與我們日常的經驗不符。
　　
　　至于光速為什麼會有這種特性，愛因斯坦在思考了多年後說︰“光很奇特，但我們並不必對其窮究，因為它就是那樣一種物質。”
　　
　　但狹義相對論與引力理論存在不相協調之處。引力理論指出︰物體間的吸引力依賴于它們之間的質量和距離，這就意味著如果我們移動一個物體，另一個物體所受的引力就會立即改變，這種情形下引力效應就將以無限的速度傳遞，而不象狹義相對論所要求的那樣，只能低于光速。
　　
　　在經過多次失敗的嘗試之後，愛因斯坦終于提出了革命性的“廣義相對論”。
　　
　　廣義相對論指出，引力不同于其它的力，“它是由于物質質量的存在而發生的空間—時間的扭曲。”例如我們的地球，在廣義相對論看來，它並非是由于引力的作用而沿著橢圓軌道運動，而是沿著彎曲的空間中最接近直線的被稱為“測地線”的軌跡運動。（我們在地面上以直線行走，實際上走的是地球球體表面的一段弧，該弧所在平面穿過地球球心，這段弧稱為測地線。這是地球表面最接近直線的軌跡。）這條軌跡是地球在不平坦的空間—時間中走過的最短距離。由于太陽質量所引起的空間—時間的彎曲，雖然在四維的空間中地球以直線運動，但我們在三維的空間中看起來卻是沿著一個橢圓周在行進。
　　
　　這就好比一架飛機在山區上空飛行，它雖然在三維空間中以直線行進，但它在崎嶇的二維地面上的投影卻是沿著彎曲的軌跡運動。同樣，光也必須沿著測地線走，它也不能避免被引力場所折彎。在以後講述大爆炸和黑洞奇點的章節中，我們將會對此有更深的體會。