马丁·加德纳编著的这本《为了人人晓得相对论》有100多幅精美的插图，形象地描绘了相对论中的一些基本概念。这种图文并茂的形式，使一些与“常识”相悖的、难以理解的概念变得通俗易懂，给读者留下清晰而深刻的印象。

本书不仅讲解了相对论的基本原理，而且介绍了狭义相对论和广义相对论是怎样建立和发展起来的。为此，作者在书中介绍了迈克尔逊·莫雷的实验，介绍了对他建立相对论影响很大的马赫原理，及其与有关的经典物理学和与其他的相对论学说的差别，以及是什么问题使爱因斯坦考虑了11年才建立广义相对论的？相对论遇到过哪些挑战？他怎么证明相对论是正确的？还有两章专门介绍了根据相对论原理提出的各种类型的宇宙模型，以及到现在还有争论的问题。这些内容在其他同类书中是没有或很少见的。

这本《为了人人晓得相对论》最大的优点在于，作者马丁·加德纳相当充分地介绍了相对论的建立和发展的历史。读者一般不仅想了解理论本身，而且还需要了解获得这理论的方法；哪些人参与了这个工作，曾经有过哪些设想等。例如书中相当充分地介绍了“马赫原理”。这个原理虽然长期遭到许多学者的质疑，但是它对创立相对论的思想曾有过很大的影响。因此，如果不介绍“马赫原理”，对于相对论的发展史来说就不完整了。

尤其要指出的是，作者不仅描述了那些确切无疑的并已为人们所接受的相对论原理，而且还介绍了迄今还没有解决的各种有争议的问题。

《为了人人晓得相对论》由科学普及出版社出版发行。

一、是绝对还是相对

二、迈克尔逊·莫雷实验

三、狭义相对论(一)

四、狭义相对论(二)

五、广义相对论

六、引力和空间—时间

七、马赫原理

八、双生子佯谬

九、宇宙模型

十、大爆炸还是稳恒态

俄文版后记

名词术语简解

译者介绍

有两个海员，一个姓卓，一个姓莫，他们在发生沉船事故后漂流到一个荒无人烟的海岛上。在那里，他们与世隔绝度过了好多年。有一天，姓卓的拣到一个被海浪抛上岸的瓶子，是一个崭新的大可口可乐瓶子。卓吃惊得脸色都变得苍白了。

“哎呀，莫！”卓惊叫道：“我和你都变小了！”

这是个笑话。但是，从这个笑话可以得出一个重要的结论：判断任何物体的大小，一定要将它同某个其他的物体相比较。小人国的小矮人们认为格利佛是个巨人，而格利佛对于大人国里的居民来说，却是个小不点儿。

台球是大还是小？如果把它同原子比较，它就非常之大；但如果把它同地球相比，它就微不足道了。

最先提出过许多相对论原理的，是19世纪法国著名数学家尤里·安利·彭加勒。他是用理想实验的方法来研究这个问题的。学者们把只能设想而不能实际完成的实验，叫做“理想实验”。他推想，您在夜间熟睡时，宇宙中的一切都比原来的大了1000倍。这里，彭加勒所说的“一切”是指真正的一切：电子、原子、光的波长、您自己、您的房子、地球、太阳和星球等。

当您醒来的时候，您能说出您周围发生了什么变化吗？能进行可以证明您变大或者是变小了的实验吗？

不能，彭加勒说，这种实验是无法进行的。实际上。宇宙还和原来一样。说宇宙变大了是没有意义的。“变大了”是意味着比别的什么东西更大，而上面所说的情况。并没有和什么别的东西作比较。因此，在这种情况下，如果说整个宇宙变小了同样也是没有意义的。

可见大和小是相对的。测定物体大小的绝对方法是没有的。也不能说它有多大多大的绝对尺寸。要测定物体尺寸的大小，可以使用量器，如尺或米尺。可是米尺到底有多长呢？1962年1月1日以前，1米的长度，是按照存放在法国塞弗尔的一个恒温的地下室中的一个白金条的长度确定的。从1962年1月1日起，才把相当于氪-86的橙黄色光谱线在真空中辐射的1650763.73个波长作为l米的新标准。但是，如果宇宙中的一切，包括这种辐射的波长都按某种比例增大或缩小，那就无论用什么实验方法也不能发现这种变化了。

对于时间来说也一样。地球绕太阳转一周所需的时间是“多”还是“少”？小孩子觉得，由这个新年到下一个新年的时间是很长很长的，而对于习惯以百万年来度量时问的地质学家们来说，一年只不过是一瞬间而已。时间的间隔与空间的距离一样，不用别的某一个时间间隔相比较就不能度量。一年是由地球围绕太阳运转一周确定的：一天是地球自转一周的时间；而一小时是分针行走一圈所需的时间。一个时间间隔的测量，总是把它和其他的时隔进行比较而得出来的。

豪伯特·威尔逊写了一本书名叫《新型加速器》的科幻小说。由此书可以悟出像前面所讲的，那两个海员闹出的那个笑话的同样道理，只不过这里所涉及的不是空间而是时间。书中描写了一位学究，他宣称，他找到了一种能使自己机体中的所有过程加速的办法，能使他的心脏跳动得更快、脑子更敏捷等。您猜猜看，他这样做会出现什么情况？他觉得世界上的一切都慢得似乎停滞了。他出去散步总是走得很慢，因为怕步履过快，会与空气摩擦起火烧了他的裤子。他看见街上的行人好像一动不动，如同塑像一般；那个眼睛瞟着两个过路姑娘的男人，像凝固在那里似的。公园里乐队的演奏，发出的是低沉的颤音；在空中嗡嗡作响的蜜蜂，它们飞翔的速度像是蜗牛爬行。

让我们再来做一个理想实验。假设在某一个特定瞬间，宇宙中的一切运动开始变慢、或者开始变快、或者停止几百万年之后又重新开始运动。这种变化能觉察得出来吗？不能。没有哪一种实验能够发现这种变化！因为时间和空间的距离一样，都是相对的。

在日常生活中有许多众所周知的概念都是相对的。来看一看“上”和“下”的概念。在过去若干个世纪里，人们很难理解地球那一面的人，他们的血液为什么不是都向头部流？他们不都是头朝下的吗！就是现在，有些孩子们还会提出这样的问题，尽管他们已经知道地球是椭圆的。

如果地球是用透明玻璃制成的，您就能用望远镜直接看到它的对面。这时，您所看到的人确实是头朝下，用脚站在玻璃上。就是说，相对于您来说，他们好像是头朝下站着；而相对于他们来说，您也好像是头向下站着。在地球上，“向上”是指离开地球中心的方向；“向下”是指向地球中心的方向。在星际空间，就没有绝对的上和下了，那里没有可以作为“参考系”的行星。

我们设想，有一个巨大的环形宇宙飞船在太阳系里航行，它旋转时产生的离心力形成一个引力场，使飞船里的宇航员们能够在飞船的内壁上走动，就像在地板上行走一样。对于他们来说，“向下”就是背离飞船中心的方向，“向上”就是指向飞船中心的方向，这同旋转着的行星上的情况正好相反。

由此，您会看到，在宇宙空间是没有绝对的“上”和“下”的。这里的“向上”和“向下”，是相对于引力场作用的方向而言的。说什么当您睡觉时整个宇宙翻了个身，那是毫无意义的，因为没有什么东西能够作为参考系，来判断宇宙是处在什么状态。

物体的另一种变化样式，就是物体的镜像变化，这也是相对的。如果把大写的英文字母R反印成牙，您就会立即认出这是字母R的镜像。但是，如果整个宇宙，包括您在内，突然都变成了它的镜像，那您是无法发现这种变化的。当然，如果只有一个人变成了他的镜像，而宇宙依然如故，这个人就会觉得一切都是相反的。要看书，他就必须把书对着镜子看，就像刘易斯·卡罗尔写的《在镜子里》这本小说的主人公阿里斯，巧妙地利用镜子阅读用反体字印刷的“荒唐的话”那首诗似的。但是，如果一切都变成相反的了，那就无论用什么实验都不能发现这种变化了。因此，说什么宇宙发生过颠倒或者它的范围倍增了等这类变化，也是没有意义的。

P1-7

爱因斯坦创立的相对论，是牛顿建立经典物理学以来出现的一种全新的、关于时间空间和物质运动关系的理论。它对物理学的发展和应用具有重大作用，是现代物理学的理论基础之一。

相对论问世以来，出版了许多普及相对论的著作。我国也不例外，仅我所看到的翻译和著作的关于相对论的科普图书就有六七种。但是，在我读完莫斯科原子出版社翻译出版的美国著名科普作家马丁·加德纳所写的《为了人人晓得相对论》后，我十分赞赏。因为它与我所看到过的同类书，无论是内容还是形式都显然不同。首先，这本书中有100多幅精美的插图，形象地描绘了相对论中的一些基本概念。这种图文并茂的形式，使一些与“常识”相悖的、难以理解的概念变得通俗易懂，给读者留下清晰而深刻的印象。其次，本书不仅讲解了相对论的基本原理，而且介绍了狭义相对论和广义相对论是怎样建立和发展起来的。为此，他在书中介绍了迈克尔逊·莫雷的实验，介绍了对他建立相对论影响很大的马赫原理，及其与有关的经典物理学和与其他的相对论学说的差别，以及是什么问题使爱因斯坦考虑了11年才建立广义相对论的？相对论遇到过哪些挑战？他怎么证明相对论是正确的？还有两章专门介绍了根据相对论原理提出的各种类型的宇宙模型，以及到现在还有争论的问题。这些内容在其他同类书中是没有或很少见的。

本书结构合理，脉络清楚，叙述通俗易懂，举例和譬喻的运用相当成功，读来比较轻松。也许这些就是这本书在苏联翻译出版后，受到苏联读者欢迎而一再重版的缘故吧！正是由于这些原因，我感到有必要把它翻译出来，介绍给我国的读者。科学普及出版社出版此书，会受到读者欢迎的。

2011年是爱因斯坦发表《广义相对论原理》论著95周年。愿以此书纪念这位对人类作出了伟大贡献的物理学家。

译者专业知识不足，译文如有谬误，望不吝赐教。

译者

本书前言曾经提到，原书作者对某些问题的阐述不够精确，因此阅读时应注意以下几点。

爱因斯坦是根据引力场和惯性力场的等效原理建立广义相对论的。他借助等效原理列出了广义相对论的基本公式。但是应当记住，等效原理不是概括的总原理，并且应用范围是有限的。正如作者指出的：惯性力场与同类的(即恒定的数量和方向)引力场等效。

但可以认为，同类场只限于在很小的一部分空间。例如，地球引力场的力线，是从它的中心沿半径辐射的。只有在空间尺度比地球尺度小许多倍的空间范围内，才能把地球的引力场认为是同类的。所以说，等效原理是局部的，就是说，借助于向加速坐标系的过渡，可以消除在空间个别地区的引力场，但绝不是全部空间。

所应用的没有任何限制的一般原理，是惯性质量和引力质量相等的原理。运用这个原理，可以建立完整的引力理论。如果广义相对论是建立在等效原理的基础上，那么就必须认为，引力现象完全决定于空间一时间的几何性质。

本书作者认为，广义相对论的主要之点在于，所有的参考系，无论是匀速运动的，还是加速运动的，它们的意义都是相同的。事实上，广义相对论的主要之点在于空间一时间是弯曲的。正是由于这种情况，使爱因斯坦写出了能在任何坐标系运用的广义相对论的公式。

在狭义相对论中，所有惯性系的等效，不是因为狭义相对论的惯性系公式的形式相同，而是因为各惯性系里所有的物理现象有相同的性质。最好的证明就是，没有任何实验，无论是力学的还是电磁的实验，都不能发现惯性系是静止，还是处在匀速运动状态。

对于广义相对论来说，那就是另一回事了。在广义相对论中，不同坐标系中的物理过程的具体形态当然是不同的，而且某些坐标系本身就与众不同。我们以狭义相对论为例，大家已经知道，它是广义相对论的一个特例。因此，在原则上，它不仅可以充当惯性坐标系，而且可以用来做任意形式的加速坐标系。虽然形式上可以这样做，但是这不意味着从物理学的观点，看所有的惯性坐标系都是等效的。因为光在所有惯性系里永远是以同一速度直线传播。在加速坐标系里，光的路线是弯曲的，所以存在着客观准则。在这种情况下，利用这个准则，惯性系也是可选定的。

阿·伊·巴加