最近在科学网和一些讨论中，苏保霞老师提出疑问：“相对性原理是不是最基本的原理，好像仍有争议。”我认为，这一问题本身并非简单的是非判断，而是涉及知识体系的逻辑结构。任何由概念与命题构成的理论体系，其概念层级与蕴含关系都呈现出某种“金字塔结构”。因此，相对性原理是否属于第一性原理，既是一个哲学问题，更是一个逻辑与数学层面的问题。我的基本观点是：相对性原理确实处于物理学最底层的第一性原理位置。在论文《基础物理学的第一性原理》中，我已系统讨论过它的统摄作用。本文聚焦一个更具体的问题：

相对性原理为什么适合作为第一性原理？

一、什么叫“第一性原理”？

在讨论相对性原理之前，有必要先澄清“第一性原理”的含义。第一性原理并不是“最早发现的原理”，也不是“最容易通过实验验证的原理”。一般而言，一门学科的第一性原理，应当回答的是：这门学科的理论结构如何可能。就物理学而言，第一性原理指的是：

• 一切可接受物理理论必须满足的前提性约束；

• 不依赖具体物理系统的结构细节或初始条件；

• 也不是由其他具体定律推导出的结论。

在这一意义下，相对性原理的核心内容是：物理规律的表述形式不应依赖于人为选取的参考系或坐标系统。或者更直白地说：坐标是人选的，而自然规律是天定的。

这是一条关于物理规律客观性的原则，不能与“真空光速在所有参考系中相同”这一经验事实相混淆。由于几乎所有基础物理理论都不可避免地涉及时空结构与坐标系，相对性原理自然处于理论体系的核心位置。

二、一个几何类比：球面与地图

为了避免纯粹抽象的争论，可以考虑一个简单的几何类比。

• 地球表面是一个客观存在的球面；

• 经度—纬度、墨卡托投影、等面积投影，都是不同的坐标系统；

• 没有人会因为不同地图上的坐标表示不同，就认为地球的几何是主观的。

真正具有几何意义的，是球面上的距离、面积与曲率，而不是某个具体的坐标数值。相对性原理在时空物理中的地位，与这一事实完全一致。时空是客观存在，参考系只是描述它的标注方式。

三、为什么违反相对性原理是不可接受的？

设想一种“反相对性”的理论：

• 物理定律只在某个特定参考系中成立；

• 换一个等价的参考系，规律的形式就发生改变；

• 或者物理规律显式依赖于观察者的运动状态。

这种理论将立刻面临一个根本性的困难：我们将无法区分，是自然规律发生了变化，还是仅仅更换了描述方式。其直接后果是：

• 实验结果失去可重复性；

• 不同观察者之间无法进行一致的物理交流；

• 物理定律退化为与观察者绑定的经验公式。

因此，否定相对性原理，本质上是否定物理规律的客观性。这正是它作为第一性原理的根本理由。

四、相对性原理并不决定具体的时空结构

一个常见的误解是：“如果相对性原理是第一性原理，那么相对论的一切结论也应当是先验真理。”这是不正确的。必须严格区分以下两点：

1. 相对性原理：关于物理定律应如何表述；

2. 时空结构假设（如牛顿时空、闵可夫斯基时空）：关于自然界具体采用何种几何结构。

前者是逻辑前提，后者是实验问题。

• 若实验支持伽利略变换，则回到经典力学；

• 若实验支持洛伦兹不变性，则进入相对论框架；

• 若未来发现偏离洛伦兹对称的现象，那意味着修正时空模型，而不是否定相对性原理本身。

五、相对性原理、最小作用量原理与正则性原理

在现代物理学中，相对性原理并非孤立存在。与之处于同一逻辑层级的，还有最小作用量原理与正则性原理。最小作用量原理是一种统一的结构性原则：编码了一个物理系统的能量成分的DNA，使得作用量在变分意义下取驻值。

正则性原理则要求物理规律在数学上具有良好定义的结构，例如连续性、可微性或可解析性。它保证了物理理论不仅在形式上自洽，而且在演化行为上是可控的。

这三条原则——相对性原理、最小作用量原理与正则性原理——共同奠基了现代基础物理的结构性基底：

• 相对性原理约束理论的协变性；

• 最小作用量原理约束动力学的生成方式；

• 正则性原理保障理论的数学一致性与演化的可控性。

它们回答了“什么样的理论才有资格描述自然界”。

六、为什么相对性原理配得上“第一性”？

归纳而言，相对性原理之所以是第一性原理，并不是因为它“深奥”，而是因为它是任何可交流、可检验物理理论的必要前提。它的逻辑地位，类似于数学中的“结论不应依赖于坐标选取”，或哲学中的“真理不依赖于描述者”。在这一意义下，相对性原理不是经验定律，而是物理理性本身的最低要求。放弃相对性原理，等同于放弃物理规律的客观性。

七、第一性原理在量子理论与前沿研究中的意义

在量子理论中，这些原则常被一些似是而非的观念搞混乱了。这并非意味着微观世界失去了客观性，也不是物理理论可以脱离逻辑轨道，而是由于表象层次的引入，使问题在形式上“水被搅浑”了。在论文《旋量场方程与算子代数》中，我曾系统澄清这一点，并从第一性原理出发直接推导出了相应的核心理论体系。

第一性原理的真正力量在于：它不仅用于整理既有理论，而且可以直接建立与现实对应的具体模型。例如，这篇论文中由第一性原理推导得到的精细的质能关系式，可以通过精密实验加以检验，可操作的实验方案已在《精确测量质能关系式》中给出。再如在论文《基础物理学的第一性原理》中，我基于这一立场直接构建了不同于现有范式的星系动力学模型，能够解释星系结构特点及若干重要的经验公式。

更进一步，第一性原理能否指导新的研究方向？回答“当然可以”，因为它本身就是物理学的“根本大法”，只要问题明确，执行没有盲区。这里再举一个现在尚缺乏严格基础理论的重要问题：原子核的能谱计算。从第一性原理角度看，这在理论上并非一个复杂问题。以氦核为例，其能谱原则上可以通过求解如下拉格朗日量得到：

$$ {\cal L} = \sum_{n=1}^4 \left( \psi_n^+ \alpha_\mu \hat p_n^\mu\psi_n+m_p \psi_n^+\gamma^0\psi_n \right)+\frac12\left( \nabla_\mu \Phi_\nu \nabla^\mu \Phi^\nu+b^2\Phi_\mu\Phi^\mu \right),$$

其中 $ \hat p_n^\mu = i\hbar \partial^\mu - e_n A^\mu - s \Phi^\mu, \ e_n=(0,e),$ 这里 $A^\mu$ 表示电磁相互作用势，$\Phi^\mu$ 表示短程强相互作用势，$s>0$ 为强耦合常数，$b>0$ 为力程参数。在进一步近似下，甚至可以忽略电磁相互作用而不影响问题的本质。

需要强调的是，变分原理本身既是第一性原理，也是实际的计算方法。在这一框架下，忽略高阶或小量能量项只会引入可控误差，而不会破坏理论结构的自洽性。这正体现了第一性原理在基础研究具有的强大作用。

八、第一性原理与“打补丁模型”的分野

在当代物理研究中，一个日益突出的现象是：“有效理论”模型在形式上愈发复杂，但在概念上却并未同步深化。大量模型依赖不断增加的假设、参数与修正项，通过“拼接”的方式去拟合实验数据，却缺乏统一的结构约束。

从第一性原理的角度看，这种做法并非不可行，但它并不处于物理理论的根本层级。第一性原理关注的不是如何提高拟合精度，而是理论为何成立、在何种条件下成立。一旦失去相对性原理、最小作用量原理与正则性原理这样的结构性约束，理论虽然可能在局部有效，却难以具备整体的可解释性与可推广性。

可以说，第一性原理与拼接模型方法的根本区别在于：前者试图从最少的前提出发，约束一切可能的物理理论；后者则是在既定框架内不断“打补丁”，以应对新的现象。这两种路径在技术层面并不对立，但在方法论层面却有着清晰的层级差异。

正是在这一意义上，相对性原理之所以重要，并不在于它导出了某个具体结论，而在于它为物理理论划定了一条不可逾越的“红线”。只有在这一红线之内，讨论具体模型、近似方法与数值计算，才是逻辑自洽的物理研究。