相对论百年故事：物理与数学的火花

聂斯特　陈江梅

爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）是少数具有极高公众知名度的伟大物理学家之一，美国的《时代杂志》（Times）在1999年推选他为“世纪伟人”（person of the century）。爱因斯坦在物理学上做出了许多划时代的贡献。仅1905年，年轻的他就独立完成了许多开创性的成果，其中有关光电效应（photoelectric effect）的论文，则是开启量子物理（quantum physics）大门的关键性成果。由此，他摘取了1921年诺贝尔物理奖的桂冠；他是在乘船前往日本访问途中，行驶至中途停靠点上海时，在船上获知此消息的。

然而，对一般大众来说，爱因斯坦最著名的研究成果就是相对论。他在1905年完成了“狭义相对论”（special relativity），讨论等速运动系统的物理特性，其中由光速不变性的假设所推论出来的“时间膨胀”（time dilation）、“长度收缩”（length contraction）等奇特效应，可以说是理论物理中十分令人着迷的现象。不过，综观爱因斯坦的科学成就，描述引力作用的“广义相对论”（general relativity），毫无疑问是物理学中最激动人心的智慧结晶，让我们听听来自三位获得诺贝尔奖的物理学家对广义相对论的赞誉。(www.xing528.com)

狄拉克（Paul Dirac，1902—1984）说：“这可能是有史以来最伟大的科学发现。”玻恩（Max Born，1882—1970）说：“广义相对论的基础对我而言，直到现在仍然是人类思维上有关自然的最伟大壮举，是哲学洞察力、物理直觉和数学技巧最惊人的组合。”朗道（Lev Landau，1908—1968）则说：“它应该代表全部现有的物理理论中最美丽的部分。”

2015年是广义相对论的100周年诞辰，在这个值得纪念的时间点，我们将借由这篇文章，介绍一些关于广义相对论的发展历史。对于爱因斯坦的生平事迹，坊间已出版了许多非常好的传记书籍，我们将不再过多着墨。此外，爱因斯坦的研究课题所包含的领域很广泛，本文只着重于爱因斯坦在广义相对论及其相关领域研究的思路历程，至于他在其他领域的重要工作，则不在本文的讨论范围。