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狭义相对论的局限性

狭义相对论存在两个问题：

1.沿用了牛顿理论中的惯性参考系的概念——狭义相对论的理论中所提及的惯性参考系的概念，仍然是牛顿理论中的惯性参考系的概念，它并没有解释或取代在牛顿理论中起作用的，作为绝对空间代表的惯性系.但为什么这类参照系在自然界形成特殊的一类，并充当无加速度的判据（而且一切物理定律在其中有最简形式），这和以前一样仍是一个谜.这个难题在狭义相对论的理论中没有得到解释.爱因斯坦所指出:“从理论观点来看，狭义相对论还不能完全令人满意，因为狭义相对论所讲的相对性原理偏爱于匀速运动.从物理学观点来看，不可给匀速运动以绝对的意义.如果这是正确的话，那么就产生了这样的问题：这种讲法是不是也应当扩充到非匀速运动上去呢？已经弄明白，如果人们以这种扩充了的意义来提出相对性原理，那么就得到相对论的一种无歧义的推广.人们由此得到了包括动力学的广义引力论.可是在目前，我们还没有一系列必要的事实，可用来检验我们提出这样假定的原理是否得当.惯性原理的弱点在于它含有循环的论证:如果一个质点离开其他物体足够遥远，它就作没有加速度的运动;而我们却又只能根据它运动时没有加速度的事实才知道它离其他物体足够遥远.”(《相对论的意义》)

2.狭义相对论的理论框架中没有涉及时空与物质分布之间的关系——在狭义相对论的时空理论中，没有涉及时空与物质分布之间的关系，换句话说，在这个时空理论中，不同质量的物体对时空的影响是平权的.因而就时空的几何特性而言，狭义相对论的闵可夫斯基四维时空，仍然保留了牛顿三维时空的欧几里德的特性，仍然是平直空间.在闵可夫斯基四维时空中使用四维的笛卡尔坐标系，被称为赝欧几里德空间.在这个是空中，短程线(光线通过的路径)仍然是直线.但近代科学观测的结果发现，光线在大质量天体附近的路径，是弯曲的.这类事实表明，时空的几何性质是和时空中的物体的质量分布有关的.

爱因斯坦说，狭义相对论只是逻辑发展的第一步.因为它虽然取得很大成功，但仍然存在一些局限性：1、狭义相对论无法正确描述引力现象；1946年，《自述》：“当我力图在狭义相对论的框子里把引力表示出来的时候，我才完全明白，狭义相对论不过是必然发展过程的第一步.……这就使我相信，在狭义相对论的框子里，是不可能有令人满意的引力理论的.”2、狭义相对论无法解释：为何惯性质量等于引力质量

由于牛顿万有引力定律给狭义相对论提出了困难，即任何空间位置的任何物体都要受到力的作用，因此在整个宇宙中不存在惯性观测者.爱因斯坦为了解决这一问题又提出了广义相对论.

除了上面的两个问题外，狭义相对论效应在广义相对论里才可以得到圆满的解释，爱因斯坦当年从同时性的相对性，从观察效应出发得出狭义相对论效应，是爱因斯坦实证哲学观的体现.

爱因斯坦倾向于用实证的方法来建立和验证其理论，他曾说过：“相对论并不是起源于思辨，它的创建完全由于想要使物理理论尽可能适应于观察到的事实，…要放弃某些迄今被认为是基本的同空间，时间和运动有关的观念，决不可认为是随意的，而只能认为是由观察到的事实所决定的^【1】.”相对论理论的基础便是一个爱因斯坦称之为光信号方法的理想实验^【2】.

爱因斯坦曾说过：“相对论理论主要吸引人的地方在于逻辑上的完备性.从它推出的许多结论中，只要有一个被证明是错误的，它就必须被抛弃；要对它进行修改而不摧毁其整个结构，那似乎是不可能的^【3】.”

马赫对于形而上学对立性意识的批判，极大地影响了新一代，他反对孤立存在的绝对性事物，而使之成为物理学革命的先声.经典物理学的理论基础是形而上学对立性哲学唯物主义，它那分割的、片面的思想意识越来越不适应科学的发展.那种以为绝对和相对、无限和有限，共性和个性都是分割的，孤立的存在，可以有绝对空间和绝对时间，可以有无限空间和无限力场的观点，越来越显出它的荒谬.马赫虽没能从哲学上说明辨证范畴的对应同一关系，但他本能的意识到，在实践中观察不到的、无法验证的东西都是错的，马赫原理讲物质运动同周围事物联系在一起，由普遍共性来决定，他把共性放入个性来考察二者关系.

爱因斯坦曾受到Mach哲学观的影响，物理量的可测量性在论证为建立现代物理学的世界图景而使用的概念的合法性时成为一个主要问题，首先起源于狭义相对论，狭义相对论的创立便是爱因斯坦实证哲学观的体现.关于狭义相对论的“尺缩效应”、“时间膨胀”等情况是观测效应还是真实发生的在狭义相对论中，每个观测者都是正确，也就是说观测效应就是真实发生的.任何一种事情是否真实发生了，只能取决于观测者.通过对于观察问题的深入分析，相对论注定要揭露一切经典物理学概念的主观性质，在一种特殊的高度上接近了自然描述中的统一性和因果性这一经典思想.当我们考虑相对论中今天在某种意义上可以认为是可靠部份的那部分科学知识的时候，我们可以看到在这个理论中起主导作用的两个方面：第一，这个理论整个发展过程是依据这样一个问题：自然界中是否存在着物理学上特别优越的运动状态（物理学相对性问题）；第二，概念和判断只有当它们同观察到的事实相比较而无分歧时才是可接受的（要求概念和判断是有意义的）.这个认识论的先决条件是根本性的.

任何观察最终都要将依赖于客体和观察工具在空间和时间中的重合，从而任何观察都是可以独立于观察者的参考系来加以定义的.在相对论的连续四维时空中，不能用量尺和时钟来定义爱因斯坦——Riemann度规关系.通过广义相对论，爱因斯坦在放弃绝对时间和绝对空间的一切想法方面使我们的世界图景得到了一种超过任何以前的梦想的统一性和谐调性，这种理论提供了关于普通语言的一致性及适用范围的有益的教益.不管现象超出经典物理解释的范围多么远，对于现象的说明必须用经典术语表示出来.任何一个观察者都可以在自己的观念构架中遇见到任何另一个观察者在他自己的构架中如何描述经验.每一个观察者都可能保留空间和时间之间的截然区分，并且可能考察任一其他观察者在他的参考系中将如何借助于普通语言来描述经验和标示经验.Galileo的纲领，即把物理现象的描述建立在可测定的量的基础上的纲领，曾经给整理越来越大的经验领域提供了坚实的基础.用不同的互相排斥的实验装置得到的资料，可以显示没有前例的对立性，从而初看起来这些资料甚至显得是矛盾的.在空间和时间中排列次序的任何企图，都会导致因果链条的一次中断，因为它是和一种本质上的动量交换及能量交换联系着的，这种交换发生于个体和用来进行观察的测量尺杆和时钟之间；而恰好这种交换就是不能被考虑在内的，如果测量仪器要完成它们的使命的话.因此Bohr认为，相对论提醒我们想到一切物理现象的主观性，这是一种本质地依赖于观察者运动的性质.^【4】1872年，Mach提出“物体并没有绝对加速度，只有相对遥远星系的加速度，Mach思想的可取之处是在于不能抽象脱离物质去谈论参考系是惯性系或非惯性系.这一思想在广义相对论中得到了应用.科学哲学不能以此为基础，科学哲学的根基必须是也只能是逻辑自洽的理性的实在论.霍金指出：“对于一名理论物理学家而言，把理论视作一种模型的实证主义方法，是理解宇宙的仅有手段.

当然，以此种意义断定的几何命题的“真实性”，是仅仅以不大完整的经验为基础的.目下，我们暂先认定几何命题的“真实性”.然后我们在后一阶段（在论述广义相对论时）将会看到，这种“真实性”是有限的，那时我们将讨论这种有限性范围的大小.（摘自《浅说》第1节几何命题的物理意义中的最后一段）

力学的目的在于描述物体在空间中的位置如何随“时间”而改变.如果我未经认真思考、不如详细的解释就来表述上述的力学的目的，我的良心会承担违背力求清楚明确的神圣精神的严重过失.让我们来揭示这些过失.这里.“位置”和“空间”应如何理解是不清楚的.……（摘自《浅说》第3节经典力学中的空间和时间中的第一段与第二段第一句）.作为科学家，实证精神和理性精神珠联璧合地渗透在爱因斯坦的科学工作中.他把实验视为检验理论的最终标准和发明基本概念、基本假设的启示，把理性视为开启宇宙秘密的钥匙，认为纯粹思维能够把握实在，倡导大胆思辨而不是堆积经验.寻求一个明确体系的认识论者，一旦他要力求贯彻这样的体系，他就会倾向于按照他的体系的意义来解释科学的思想内容，同时排斥那些不适合于他的体系的东西.然而，科学家对认识论体系的追求却没有可能走得那么远.他感激地接受认识论的概念分析；但是，经验事实给他规定的外部条件，不容许他在构造他的概念世界时过分拘泥于一种认识论体系.因而，从一个有体系的认识论者看来，他必定像一个肆无忌惮的机会主义者：就他力求描述一个独立于知觉作用以外的世界而论，他像一个实在论者；就他把概念和理论看成是人的精神的自由发明（不能从经验所给定的东西中逻辑地推导出来）而论，他像一个唯心论者；就他认为他的概念和理论只有在它们对感觉经验之间的关系提供逻辑表示的限度内才能站得住脚而论，他像一个实证论者；就他认为逻辑简单性的观点是他的研究工作所不可缺少的一个有效工具而论，他甚至还是一个柏拉图主义者或者毕达哥拉斯主义者.

参考文献:

【1】爱因斯坦，《爱因斯坦文集—关于相对论》，第二卷.商务印书馆.范岱年，赵中立，许良英 编译.

【2】爱因斯坦，《爱因斯坦文集—论动体的电动力学》，第二卷.商务印书馆.范岱年赵中立许良英编译.

【3】爱因斯坦，《爱因斯坦文集—什么是相对论》，第一卷.商务印书馆.范岱年，赵中立，许良英  编译.

【4】［丹麦］N.Bohr著戈革译.《尼耳斯.玻尔哲学文选》，商务印书馆，1999年.