赵峥，1967年毕业于中国科技大学物理系，1981年于北京师范大学天文系获硕士学位，1987年于布鲁塞尔自由大学获博士学位。曾任北京师范大学研究生院副院长、物理系主任、中国引力与相对论天体物理学会理事长、中国物理学会理事。现为北京师范大学物理系教授，理论物理博士生导师、教育学博士生导师。

相对论取得了伟大的成功，但也存在严重的困难。爱因斯坦发现，万有引力定律与相对论冲突。为了解决这一问题，爱因斯坦奋斗了10年，终于做出了他一生中最重大的发现：他发现万有引力与一般的力有本质区别，它不是我们通常所说的力，而是一种几何效应，是时空弯曲的表现。爱因斯坦于1915年建立起描述弯曲时空的理论。他把新理论看作原有相对论的发展与推广，所以把新理论称为广义相对论，而把原来的相对论称为狭义相对论。广义相对论研究时空弯曲，也就是研究万有引力。因此，广义相对论也可以看作万有引力定律的推广。

大家都知道，万有引力定律的发现者是伟大的物理学家牛顿。当牛顿的物理理论取得巨大成功的时候，人们觉得似乎一切物理规律都搞清楚了，于是英国诗人波普写了一首盛赞牛顿的诗——

自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，

上帝说：“让牛顿去吧！”

于是一切成为光明。

而当爱因斯坦的相对论提出后，在相当长的一段时间内，真正理解相对论的人寥寥无几，绝大多数人都感到震惊和迷茫，原来那似乎已十分清楚的物理学，竟然冒出了如此多的令人难以置信的结论，让人完全看不懂了。于是另一位诗人又接着波普的诗句写道——

但不久，

魔鬼说：“让爱因斯坦去吧！”

于是一切又回到黑暗中。

绝大多数人在赞扬相对论的神奇和伟大，但又弄不懂这伟大的内容。有一些人对相对论产生怀疑，也有一些人开始对它进行批判和指责，认为相对论错误而荒唐。但爱因斯坦知道，这些对相对论的指责都是错误的，都是由于看不懂相对论所致，因而都不值一驳。

爱因斯坦当然还知道，他的相对论确实存在问题，而且存在根本性的大问题，但不是外人指责的那些东西，外人指责的问题其实都不是问题。爱因斯坦认为相对论有什么问题呢？他认为有两个根本性的大问题。

第一个问题是惯性系无法定义了。他的相对论建立在惯性系的基础上，但现在惯性系无法定义了，好像楼房建立在流沙上一样，这可是个严重问题。

在牛顿理论中，惯性系的定义没有问题。惯性系的定义依赖于绝对空间的存在。牛顿认为（实际上是假定）存在一个不依赖于物质的绝对空间，还存在一个不依赖于物质的绝对时间。惯性系被定义为相对于绝对空间静止，或者做匀速直线运动的参考系。

爱因斯坦认为不存在绝对空间，也不存在绝对时间。这样，原来关于惯性系的定义就不能使用了。令人意想不到的是，这个貌似简单的惯性系定义问题，却十分不好解决。爱因斯坦思考了很长时间，始终得不到满意的答案。

一个聪明的想法是，利用牛顿第一定律（惯性定律）来定义惯性系：如果参考系中一个不受外力的质点，总是保持静止状态或者匀速直线运动状态，那么这个参考系就可以定义为惯性系。

然而，怎么知道一个质点不受外力呢？似乎只要没有其他物体碰到它，就可以判断它不受外力了。但仔细一想，不行。因为还可能存在看不见的作用，例如外场（电磁场、引力场或其他未知的什么场）。要想严格判断一个质点受不受外力，唯一有效的办法是看它是否保持惯性状态。也就是说，要看它在惯性系中是否保持静止或匀速直线运动状态不变。明眼人一下就可以看出，这里存在逻辑循环的问题。定义惯性系要用到不受外力这个概念，定义不受外力又要用到惯性系这个概念。这种循环定义方式在自然科学中是绝对不容许的。

爱因斯坦对这个问题百思不得其解。

相对论的另一个重要问题是万有引力定律纳不进相对论的框架。当时物理学家们只知道两种力，一种是电磁力，另一种就是万有引力。电磁理论可以纳入相对论的框架，与相对论一点儿都不抵触。事实上，在相对论诞生之前出现的麦克斯韦电磁理论，本来就是一个相对论性的理论。迈克耳孙实验导致的“乌云”，反映的是麦克斯韦电磁理论与伽利略变换的矛盾，也就是说，反映的是电磁理论无法纳入伽利略-牛顿的经典物理学框架的问题。现在相对论取代了伽利略-牛顿理论，这一新框架恰好与电磁理论匹配，所以，电磁理论与相对论自然相容。

爱因斯坦花了不少时间尝试把万有引力定律也纳入相对论的框架，但始终不成功。自然界只存在两种力，其中一种就与相对论矛盾，爱因斯坦认识到，这个问题可不能低估。

在对上述两个困难反复思考后，爱因斯坦的思想产生了一次飞跃。他想，既然惯性系无法定义，可不可以干脆不要惯性系这个概念。提出惯性系的概念，主要是为了描述物理规律方便，特别是为了体现自然界中的物理规律具有普遍性，这种普遍性通常用所谓的相对性原理进行表述。相对性原理是说“在所有惯性系中，物理规律都相同”。

爱因斯坦想，可不可以把相对性原理加以推广，认为物理规律在所有参考系中都相同，不再区分惯性系和非惯性系。这样就可以不用惯性系这个概念了，当然也就不再需要定义惯性系了，这样就避开了定义惯性系的困难。

他把这样推广的相对性原理，称为广义相对性原理：物理规律在所有参考系中都相同。

做这样的推广虽然避开了定义惯性系的困难，但却产生了一个新困难。非惯性系与惯性系不同，位于其中的物体会受到惯性力。例如转盘上的物体会受到惯性离心力，在转盘上运动的物体还会受到科里奥利力（另一种惯性力）。惯性力与普通的力有本质不同，它不需要外界施于，也不存在反作用力。所以，如何看待非惯性系中的惯性力，也是个不好办的问题。

在对引力困难和惯性力困难反复思考后，爱因斯坦注意到引力和惯性力有一点相似，就是二者都与物体的质量成正比。

在牛顿力学中，质量有两种定义，一种是用引力效应定义的，另一种是用惯性效应定义的。

牛顿在他的巨著《自然哲学之数学原理》中，一开始就对质量下了一个定义。他说，质量就是物质的量，它与物体的重量成正比。这种反映物体中所含物质的多少，并规定为与物体重量成正比的质量，被称为引力质量。在此书的另一个地方，他又谈到质量与物体的惯性成正比。也就是说，质量越大，物体的惯性就越大。这样定义的质量被称为惯性质量。引力质量出现在万有引力定律中，惯性质量则出现在力学第二定律中。牛顿本人意识到，没有理由认为这两种质量是同一个东西。他曾用单摆实验来检测二者是否有差异。图l中，W为摆锤受到的重力，T为摆绳的张力。

牛顿想，可以用各种物质成分的小球（例如铁球、金球、玻璃球、石头球等）作摆锤，检验一下各小球的引力质量与惯性质量之比是否为同一个常数。如果是同一个常数，则可以把此常数吸收到万有引力常数G中去，重新定义G值，并使引力质量与惯性质量之比等于l。也就是说，只要各小球的引力质量与惯性质量之比为同一个常数，就等于证明了引力质量与惯性质量相等。

所以只要检测一下各种小球做成的单摆是否周期相同就行了。结果牛顿在10-3的精度范围内证明了引力质量与惯性质量相等。

牛顿之后，继续有物理学家做了更精确的检验。在爱因斯坦那个时代，匈牙利物理学家厄缶用扭摆在10-8的精度范围内证实了引力质量与惯性质量相等。