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编辑推荐

　　这是一部彻底颠覆经典物理学观念的创世之书。
　　现代及未来科学的伟大的奠基之作
　　影响人类进程的不朽经典
　　没有别的科学家能比爱因斯坦更代表科学的先进性。
　　——霍金

内容简介

　　这本书由狭义相对论、广义相对论、探索整个宇宙三部分构成。狭义相对论的两个基本条件是：一、光速恒定原理；二、定律（尤其是光速不变定律）和所选择的惯性系（狭义相对性原理）没有关系。只有符合这两个条件，所讨论的内容才是有意义的；广义相对论是在狭义相对论的基础上发展起来的，它的假设是定律的不变性和四维连续区中的坐标的非线性变换有着一定的联系，在这个前提下讨论各种情况。在了解了狭义相对论和广义相对论之后，将研究范畴扩展到整个宇宙空间中，并认为宇宙是有限且无界的。

作者简介

　　爱因斯坦（1879—1955），20世纪著名的德裔美国科学家，现代物理学的开创者和奠基人，伟大的思想家和社会活动家。其他主要著作是：《论动体的电动力学》、《关于辐射的量理论》、《空间、时间和引力》、《物理学的哲学》等。

目录

第一章
狭义相对论
1.1　几何命题在物理学中的意义001
1.2　坐标系007
1.3　经典力学中的空间和时间011
1.4　伽利略坐标016
1.5　相对性原理（狭义）020
1.6　经典力学中的速度相加定理035
1.7　光的传播定律和相对性原理的表面抵触037
1.8　物理学中的时间观045
1.9　相对性的同时性052
1.10　距离的相对性056
1.11　洛伦兹变换058
1.12　量杆和时钟在运动状态的行为070
1.13　速度相加法则斐索实验076
1.14　评估相对论的启发作用084
1.15　一般相对论的普通结果087
1.16　经验和狭义相对论092
1.17　闵可夫斯基的四维空间100
第二章
广义相对论
2.1　狭义相对性原理和广义相对性原理107
2.2　重力场114
2.3　广义相对性公设的论据惯性质量等于引力质量121
2.4　经典力学和狭义相对论的基础中无法令人满意的方面126
2.5　由广义相对性原理得出的几个推论129
2.6　旋转参考物上的时钟和量杆的行为137
2.7　欧几里得连续区和非欧几里得连续区142
2.8　高斯坐标146
2.9　狭义相对论中的空间—时间连续区可以看作欧几里得连续区151
2.10　广义相对论中的空间—时间连续区不是欧几里得连续区154
2.11　广义相对性原理的精确表述158
2.12　在广义相对性原理的基础上解决地心引力问题162
第三章
对整个宇宙的考察
3.1　牛顿理论在宇宙论中遇到的困难171
3.2　“有限”而“极大”的宇宙的可能176
3.3　广义相对论基础上的空间结构179
3.4　对“广义相对论基础上的空间结构”的补充说明180
附　录
广义相对论的实验证实183
相对论和空间问题190
科学和宗教202
什么是相对论207
理论物理学的基础212
科学和文明220

精彩书摘

　　第一章狭义相对论
　　1905年，爱因斯坦发表了一篇论文，标题是《论动体的电动力学》，标志着狭义相对论的诞生。同年，他又发表了《物体的惯性同它所包含的能量有关吗？》这篇文章，对开始提出的理论进行了补充说明。根据这个理论可知，物质运动、时间、空间这三者之间有着紧密的联系，它们都不是独立存在的。随着物体运动的增加，质量会增加，时间和空间也会发生变化，运动物体在运动方向上的长度会变短，时间会变慢。也就是说，当物体消失的时候，时间和空间也会消失。这个理论让我们明白，为什么原子内部有着巨大能量。随着时间的推移，狭义相对论经受住了实践的检验，在现代物理学中有着重要的作用，也是一个不可或缺的基础理论。
　　1.1几何命题在物理学中的意义
　　欧几里得的几何学是一座宏伟的大厦，当阅读这本书的读者处于学生时代的时候，大家就在这座大厦的楼梯上摸索了，尽忠职守的教师们逼迫你们在这上面花费了许多时间。关于这座宏伟的大厦，你们的畏惧之心要远远大于好奇之心。根据以往的经验，如果有人告诉你们这门科学中的命题都是不真实的，即使是最冷僻的命题也一样，你们一定不会相信。不过，如果有人反问你们：“既然这些命题都是真实的，那么，它们要怎样去理解呢？”这时，你们也许会失去理所当然的态度。现在，让我们认真讨论一下这个问题。
　　平面、点、直线等概念组成了几何学，一般来说，我们脑海中的观念和几何学中的一些简单命题有着一定的联系，受到这些观念的影响，我们总是把命题当作“真理”来对待。然后，用我们心中的逻辑方法，也就是我们认为是正确的逻辑推理过程，证明命题是从公理中推导出来的，即这些命题得到了验证。于是，只要用公认的方法从公理中推导出来的命题，我们就认为是正确的。这样一来，公理的“真实性”决定了几何命题的“真实性”。不过，这样的说法根本毫无意义，而且无法用几何学的方法进行证明。难道我们要问这样的问题：经过两点只有一条直线的说法是不是正确的呢？显然，这是不可能的。我们只能这样说，几何学研究的是“直线”，唯一能够说明的是每条直线上的两个点确定了这条直线的性质。“真实”这个概念是由这条直线上的两个点确定的唯一一个性质。不符合几何学论点的是，在习惯上，“真实”和“实在的”客体有着相同的含义；然而，不管怎么说，几何学的内容并不包含其中的观点和经验客体之间的联系，仅仅包含这些观念本身在逻辑上存在的联系。
　　很容易理解，我们为什么会把这些几何命题称之为“真理”。几何观念对应着自然界中具有形态的客体，而这些客体促成了这些观念的诞生。不过，几何学要去阻止这个过程，以便它的结构有最大的逻辑一致性。例如，根据我们的习惯，总是通过可以当作固定物体上的两个点来确定距离。当我们在观察三个点的时候，如果选择合适的观察位置，让三个点的视位置能够重合在一起，我们就觉得这三个点在同一条直线上。
　　按照我们的思维习惯，在欧几里得几何学中，我们可以添加这样的命题：一个可以看出是固定的物体上的两个点对应的距离永远不变，无论这个物体的位置是否会发生变化，那么，欧几里得几何学中的命题也可以称为所有固定物体的相对位置的命题。这样一来，几何学就会成为物理学的一个分支。现在，我们能够合理地解释几何命题是不是“真理”这个问题。我们还要去问，那些和几何观念有着密切联系的真实东西，这些命题是否已经满足了它们。通过精确的术语来表达就是：我们把具有这种意义的几何命题的“真实性”理解为用圆规和直尺对该几何命题作图的有效性。
　　当然，这样就去断定几何命题的“真实性”好像不太恰当，因为凭借的是不完整的经验。不过，我们只是暂时认定这种“真实性”。然后，在后面的内容中我们会发现，这种“真实性”是有限制条件的，到时我们再去讨论具体的适用范围。
　　1.1几何命题在物理学中的意义
　　在汉语词典中，“几何”这个词的含义是“多少”。不过，在数学中，“几何”这个词来源于希腊文，本来的含义是“土地测量”，或者“测地术”。
　　几何学是数学的一个分支，研究的是空间和图形性质。
　　远古时期，人们在实践生活中积累了许多关于平面、直线、方、圆、长、短、宽、窄、厚、薄等知识，后来，这些知识成了几何学的基本概念。
　　公元前1700年，埃及的阿默斯手写了一本书，这本书的名字是“阿默斯手册”，里面记载了许多测量面积的方法，还有一些关于金字塔的几何问题。
　　在古希腊，泰勒（约公元前640年—前546年）、毕达哥拉斯（约公元前582年—前493年）、依卜加（约公元前430年—？）、柏拉图（约公元前427年—前347年）、欧几里得（约公元前330年—前275年）等著名的数学家，对几何学有着重大贡献。
　　曾经，泰勒发现了一些几何定理及其证明方法，这就是理论几何的起点。他可以利用几何定理解决实际中的问题，凭借一根竹竿测量金字塔的高度。
　　毕达哥拉斯认为数学是一门基本科学，它是所有学问的基础。他花费了许多时间去研究几何学，提出了“勾股定理”，在西方还被称为“毕达哥拉斯定理”。
　　依卜加编写了世界上第一本初等几何教科书。在这本书中，他首次提出了“反证法”，和柏拉图一起称为“研究几何三大问题”（①化圆为方，求一个正方形的面积等于一个已知圆的面积；②三等分任意角；③倍立方，求一个立方体的体积等于一个已知立方体体积的两倍）的著名人士，并且找到了许多几何定理。
　　柏拉图创造了在现在证题时有着重要作用的“分析法”，还提出了用缜密的定义和明晰的公理当作几何学基础的思想。
　　欧几里得把已有的几何知识进行总结，提出了有着严密理论的几何学。
　　欧几里得是古希腊著名的数学家。早年，他在雅典读书，非常清楚柏拉图的学说。约公元前300年，在托勒密王（公元前364年—前283年）的邀请下，前往亚历山大城工作，一直从事教学、研究、著述等工作，熟知数学、天文、光学、音乐等各个领域。欧几里得著名的作品有《几何原本》《已知数》《纠错集》等。
　　《几何原本》一共有13卷，由5条公设、5条定理、119个定义、465个命题组成，这是世界上的第一个数学公理体系。在这本书中，欧几里得确定了点、线、面、角、垂直、平行等定义，还说明了关于几何和量的10条公理，公理后面紧跟着命题和相关证明。《几何原本》给出了数学中的基本方法学：①提出了公理演绎体系，那就是通过公理、公设、定义去进行推证；②在数学中引入逻辑证明系统，确立了逻辑学的基本方法；③建立了几何证明方法：分析法、综合法、归谬法。
　　随着《几何原本》的诞生，几何成为一个真正的学科，有着严密的理论体系和科学的证明方法。
　　17世纪，笛卡儿在几何学中引入坐标系，这个做法带给几何学飞跃性的发展。笛卡儿通过数学方法解决几何问题，这就产生了解析几何。
　　1799年，法国著名的数学家蒙日的著作《画法几何》出版，他在这本书中提出用多面正投影图表示空间中的物体，画法几何诞生了。
　　1822年，彭赛列的著作《论图形的射影性质》一书出世，奠定了射影几何学的基础。
　　19世纪初期，蒙日在研究曲线和曲面的时候引入微积分，并在1807年发表了《分析在几何学上的应用》这本书，这是最早一部关于微分几何的著作。这时，数学中的另一个分支诞生了，那就是微积分。后来，高斯的著作《关于曲面的研究》一书，为曲面论奠定了坚实的基础。
　　黎曼把高斯的曲面论进行拓展，形成了黎曼几何学。
　　20世纪初期，相对论的问世使黎曼几何学向前发展了一大步。20世纪中期，数学中新的分支拓扑学、微分方程、抽象代数等学科的发展，促使整体几何成为现代几何学的主题部分，在理论物理中有着重要的作用。
　　物理和数学的关系
　　物理学简称为物理，“物理”这个词来源于希腊文，最初的含义是“自然”。古时的欧洲人把物理学叫作“自然哲学”。明末清初的科学家方以智在他的著作《物理小识》中，首次提到了“物理”这个词，这是一本类似于百科全书的作品。从广泛意义上而言，物理学研究的是大自然现象及其规律。物理学家们要去研究不同空间和不同时间的物质状态，研究物质结构和物体的运动规律。现在，物理学是自然科学中的一个基础学科，有着重要的意义。一般来说，总是用数学形式表示物理学理论。如果物理学规律经过了大量的实验验证，那么，物理学规律就会变成物理学定律。不过，类似于其他的自然科学理论，有些物理学定律只能通过反复的实验去检验，而不能被证明。
　　数学是组成人类文化的基本元素之一，它的语言是人类文化的有机组成部分。
　　数学的研究对象是现实世界中的空间形式和数量关系，主要内容是算术、代数、几何、三角、微积分等，主要特点是高度的符号化、抽象化、形式化、逻辑化和简单化。数学与逻辑学、哲学的关系更加密切，凭借几个基本公理就可以构建一个逻辑体系。
　　数学被称为自然科学之母。伽利略说过，在某种程度上来说，一个理论物理学家必然是一个数学家。为了便于理解，数学总是为物理学提供工具。数学为物理学提供了一种准确的描述语言，例如，欧氏几何和牛顿的平直时空观、非欧氏几何和爱因斯坦的弯曲时空观等。此外，数学给物理学提供了一个逻辑体系，用来进行分析和推导，例如，在平直时空观中，物体的运动状态和相互作用是怎样的，在弯曲时空观下又是怎样呢。
　　尽管数学在物理学中有着重要的作用，为它提供了巨大的便利，但不能说没有数学就不会有物理学（法拉第就是一个很好的例子，他的数学很不好，但他对物理学的理解决定了他的不凡成就）。确立了经典物理学之后，微积分随之诞生，而量子力学打破了数论面临的困境。而且，物理学的发展促进了数学的进步。
　　数学和物理学都是基本学科，它们之间有着紧密的关系，相互依存、共同发展。
　　1.2坐标系
　　根据物理学中对距离的理解，我们可以用测量法去确定一个固体物上两个点之间的距离。为了实现这个目的，我们把“距离”当作标志量度。如果用A和B这两个字母去表示一个固体上的两个点，根据几何学的规则可知，我们可以画一条直线把这两个点连接起来，把A当作起点，B当作终点，然后反复测量A和B之间的距离S。测量所得的S的次数代表的是A和B之间距离的数值量度，这是测量长度的基础。
　　不仅在科学方面如此，在日常生活中也是一样，对一件事情发生的地点或者某个物体在空间的位置进行描述的基础，参考的就是这个事情或者这个物体在一个固定物体上的重合点的位置。例如，在确定泰晤士广场在空间的位置时，参照的固体物可以是地球，“泰晤士广场”在地球上已经是一个确定的点，现在需要考虑的是，空间上和“泰晤士广场”能够重合的点。
　　这是一种标记位置的原始方法，受到两个条件的限制：一、只能用来表示固体表面上的位置；二、当固体表面上没有可以相互区分的点时，这个方法就会失去作用。不过，如果位置标志的本质不会发生变化，完全可以摆脱这两种限制。例如，在时代广场的上空有一朵白云，我们可以在广场上竖立一根长长的杆子，一直到达白云所在的位置，以此来判断白云和地球表面的相对位置，然后用标准量杆测量杆子的长度，和长杆的位置标记结合在一起，就可以知道这朵白云的完整位置标记。这个例子让我们明白，关于位置的概念是如何发展变化的。
　　（a）我们将所选择的参照固体进行扩展，扩展后的固体可以延伸到我们需要确定位置的物体那儿。
　　（b）在确定物体的位置时，我们使用的不是所选择的参考点，而是量标测量出来的长杆长度。
　　（c）即使没有把能够达到云端的长杆竖立起来，根据光学方法和光的传播特性，我们也可以测量出白云的高度，还可以知道到达云端的长杆的长度。
　　上面的论述让我们明白，在描述位置的时候，依靠数值量度要比依靠固定参考物上的标定位置要简单一些、方便一些。在物理测量中，运用笛卡尔坐标可以实现这个目标。
　　一个固体和三个相互垂直的平面牢牢地连接在一起，组成了这个坐标系。在这个坐标系中，可以用坐标来表示任何事件的发生点到这三个平面的垂直距离，根据几何学的规则和方法，用刚性测量杆经过一系列的操作可以测量出这三条垂线的长度。
　　根据习惯可知，一般不会使用构成坐标系的刚性平面；而且，坐标的构成是通过间接法确定的，而不是由刚性杆结构确定的。如果物理学和天文学想要有清楚明了的结果，就要借助上面内容去寻找位置标示的物理意义。
　　因此，我们得出了这样的结果：在空间中，对事件位置的描述一定要围绕着所选择的参照固体的刚体；得到的关系依据的是假设欧几里得几何学的定理可以用在“距离”上；而刚体上标记出来的两个“距离”是物理学惯用的表示。
　　1.2坐标系
　　附坐标系的历史
　　坐标系有数学和物理学两种定义。
　　在数学中的定义是：坐标系是一个结构，它使某个数学对象集合中的元素去对应数量；它还是一个参考系，让确定数值或者数组去对应基本几何中的对象（常常是点）。开始时，仅仅用来表示数和形的结合，慢慢发展成一种数学结构。
　　在物理学中的定义是：为了准确地对物体（或者物体系）的位置或者运动进行描述，根据问题需要选择出来的独立变数，它们的组合结构叫作坐标系。
　　公元前4世纪，战国时期的天文学家石申曾，曾经借助于坐标方法描绘出了恒星的方位表。
　　古希腊著名的数学家阿波罗尼奥斯在他的著作《平面轨迹》中，研究圆锥曲线时使用的是类似于现在的直角坐标系的轴线。
　　17世纪，法国著名的数学家费马和迪卡儿共同创建了坐标几何学。
　　在描述曲线的时候，费马使用的是没有负数的倾斜坐标，通过方程中的两个未知量描绘轨迹。他还说，如果表示两个未知量的方程是一次方程，描绘出来的方程就是直线；如果表示两个未知量的方程是二次方程，描绘出来的方程就是圆锥曲线。
　　迪卡儿则希望能够把算术、代数、几何结合在一起，找到平面上的点和实数之间的关系，并思考二元方程（，）=0，当x发生变化的时候，值也会发生相应的变化，，的不同数值组成了平面中的一条曲线。其实，他只是确定了坐标横轴（轴），直到1750年，瑞士的数学家克莱姆才确立了坐标纵轴（轴）。
　　于是，几何问题转变成了代数问题。
　　这样的发展不仅有利于解决几何问题，还有着重要意义：
　　首先，扩大了所要研究的图形的范围，除了表示直线的一次方程和表示圆周的二次方程之外，我们还可以选择任意的方程F（，）=0，讨论满足方程的所有点坐标（，）组合在一起形成的轨迹。因此，用几何方法难以解决的许多曲线，在进行解析之后，可以从与之相对应的方程式中找到相关的几何性质。
　　其次，研究的图形打破了二维平面这个范围，扩展到高维的空间中。二维平面远远不足以描述世界上的所有事情，所以要选取更多的坐标。例如，空间是三维的，需要用到，，三个度量。如果想要用几何描述物理问题，在三个度量之外，还要加上一个表示时间的变量t，所以物理空间是四维空间。另外，如果有一个点在三维空间中处于运动状态，不仅需要用（，，）去表示点的位置，还需要用这三个变量对时间的微分去表示点的速率，这就构成了六维空间。因此，所有的情形都告诉我们，许多自
　　……

前言/序言

　　导读
　　无论时代的潮流和社会的风俗怎样变化，人们总是可以凭借自己的能力超越时代和潮流，走在正确的道路上。现在，大家都在四处奔走，为的就是房子和车子，这是我们生活的时代的特征。不过，也有一些人追求的不是物质，而是理想和真理，想要寻求内心的自由和平静。
　　爱因斯坦
　　爱因斯坦讲述相对论
　　现在，我已经是67岁的老人了，今天要写一些类似于讣告的东西。我做这件事有两方面的原因，一是因为希耳普博士的劝说；二是因为我觉得和曾经一起奋斗的朋友们共同回顾我们的奋斗历程，这是一件很有意义的事情。经过考虑，我认为这种尝试一定会存在缺陷，而不是完美无缺的。无论一个人的工作生涯多么短暂、多么有限，在这个过程中肯定会走许多弯路，如果想要把有价值的东西讲述清楚，那的确是一件困难的事情。而且，我已经67岁了，不是50岁，更不是30岁或者20岁。任何回忆都会受到不可靠的信息的干扰，同时也会受到当前观点的影响。这是难以避免的，也令人非常气馁。然而，一个人还是可以从自己的积累中提炼出别人所不知道的东西。
　　当我处于少年时期的时候，我就深深地意识到，大部分人一辈子追求的目标和想要实现的愿望，都是没有一点价值的。不久后，我发现当时追逐的残酷性经过了精心的掩饰和巧妙的伪装，与现在赤裸裸的追逐有着明显的区别。由于每个人都有一个胃，所以注定人人都要参加这种追逐。因为参与了这种追逐，所以胃也许会得到满足。不过，人绝对不会，因为他有自己的思想和独立的情感。宗教是帮助人们摆脱这种困境的第一种方法，它通过教育的方式引导儿童前进。因此，虽然我的父母都没有宗教信仰，但我有着深深的宗教信仰。不过，当我12岁的时候，我终止了这种信仰。在科普书籍的影响下，我深信《圣经》中的许多故事都是虚构的。结果，在我经过了一场疯狂的自由考虑后发现，国家总是用谎言去欺骗年少无知的人。这个事实令人难以相信。这次经历让我对权威不再深信不疑，也会用怀疑的态度去看待社会中有着各种作用的信念。我的这种怀疑态度始终存在，尽管后来对因果关系的研究使它原有的尖锐性降低许多。
　　显然，我往前跨出去的第一步是抛弃少年时代的宗教信仰。这让我摆脱了原始的锁链，从愿望、期待、原始情感的统治中解放出来。在我们人类的外面，有一个独立存在的巨大世界，它就像是一个难以破解的谜团，我们通过仔细观察和认真思考只能部分地接近它。对于这个世界的思索，就像是响应自由的召唤。而且，我很快就发现，许多我敬佩和仰慕的人

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