狹義與廣義相對論淺說

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無論如何在未來的幾年中將會得出一個確定的結論。如果引力勢導致的光譜線紅向移動並不存在，那麼廣義相對論就不能成立。另一方面，如果光譜線的位移確實是引力勢引起的：那麼對於此種位移的研究將會為我們提供關於天體的質量的重要情報。

【英文版附註】光譜線的紅向位移已為亞當斯（Adams）於1924年透過時天狼星的密度很大的伴星的觀測確定地予以證實，無狼墾偽伴裡所產生的這種效應要比太陽產生的這種效應大三十倍左右。

羅伯特·伍·羅森

四、以廣義相對論為依據的空間結構

＇補充第32節＇

自從這本小冊子的第一版出版以來，我們對於宇宙太空的結構的認識（“宇宙論問題”）已服重要的發展，即使是關於這個問題的一本通俗著作，也是應該提到這個重要的發展的。

關於這個問題我原來的論述系基於兩個假設：

（1）整個宇宙空間中的物質有一個平均密度，這個平均密度處處相同而且不等於零。

（2）宇宙空間的大小（“半徑”）與時間無關。

按照文義相對論，這兩個假設已證明是一致的，但只是在場方程中加上一個假設項之後才能如此，而這樣的一項不是理也並不是很自然的（“場方程的宇宙項”）。

假設（2）當時在我看來是不可避免的，因為我當時認為，如果我們離開這個假設，就要陷入無休止的空想。

但是，早在二十年代，蘇聯數學家夫裡德曼（Friedman）就已經證明，從純粹的理論觀點看來，作另一種不同的假設是自然的。他看到，如果決心捨棄假設（2）那麼在引力場方程中不引入這個不大自然的宇宙項對於保留假設（1）仍是可能的。亦即原來的場方程可以有這樣的一個解，其中〃世界半徑〃依賴於時間（膨脹的宇宙空間）。在這個意義上我們可以說，按照夫裡德曼的觀點，這個理論要求宇宙空間具有膨脹性。

幾年以後哈勃（Hubble）對河外星雲（“銀河”）的專門研究證明，星雲發出的光譜線有紅向位移，此紅向位移隨著星去的距離有規則地增大。就我們現有的知識而言，這種現象可以依照多普勒原理解釋為太空中整個恆星系的膨脹運動——按照夫裡德曼，這是引力場議程所要求的，因此，在某種程度上可以認為哈勃的發現是這個理論的一個證實。

但是這裡確實引起了一個不可思議的困難局面。如果將哈勃發現的銀河光譜線位移解釋為一種膨脹（從理論的觀點看來這是沒有多少疑問的），那麼，依此推斷，此種膨脹“僅僅”起源於大約十億年以前；而按照天文物理學，各個個別恆星和恆星系的發生和發展很可能需要長得多的時間。如何克服這種矛盾，仍毫無所知。

我還需要提一下，我們還不能從宇宙空間膨脹理論以及天文學的經驗資料得出關於（三維）宇宙空間的有限性或無限性的結論；而原來的宇宙空間“靜態”假設則導致了宇宙空間的閉合性（有限性）。

五、相對論與空間問題

牛頓物理學的特點是承認空間和時間乃是和物質一樣地有其獨立而實際的存在，這是因為在牛頓的運動定律中出現了加速度的觀念。但是，按照這一理論，加速度只可能指“相聖於空間的加速度”。因此，為了使牛頓運動定律中出現的加速度能夠被看作是一個具有意義的量，就必須把牛頓的空間看作是“靜止的”，或者最少是“非加速的”。對於時間而言，情況完全相同，時間當然也同樣與加速度的要領有關。牛頓本人以及與他同時代的有識之士都感到，把空間本身和空間的運動狀態同樣地說成為具有物理實在性是不很妥當的；但是，為了使力學具有明確的意義，當時沒有別的辦法。

要眾把一般的空間，尤其是一無所有的空間，視為具有物理實在性，的確是一種苛刻的要求，自遠古以來哲學家們就已一再拒絕作這樣的假設。笛卡兒曾大體上按照下述方式進行論證：空間與廣延性是同一的，但廣延性是與物體相聯絡的；因此，沒有物體的空間是不存在的。亦即一無所有的空間是不存在的。這個論點的弱點主要有如下述。文延性概念起源於我們能把固體鋪展開來或拼靠在一起的經驗，這一點當然是對的。但不能由此得出結論說，如果某此事例本身不是構成廣延性概念的源由，這個概念就不可能適用於這些事例。照這樣來推廣概念是否合理，可以間接地由其對於理解經驗結果時所具有的價值來證明。因此，關於廣延性的要領僅能適用於物體的斷言，就其本身而論