爱因斯坦分别于1905年和1916年建立了狭义相对论和广义相对论。这两个理论被后人统称为相对论,其与量子力学共同成为20世纪理论物理学的两大支柱。
对于相对论的理解,可以分为两个不同的层次。其一,是如何建立的;其二,是解决了哪些问题,有何不足,即相对论在人类认识中的地位。
狭义相对论与广义相对论的表面区别,在于前者只描述了惯性参照系内的物体运动,而后者则引入了非惯性参照系以及引力。
然而,两者在更深层次的不同,则是前者否定了特殊参照系,即不承认存在具体的物理空间;而后者则认为存在着具体而真实的物理空间,正是空间的几何弯曲,才使物体的运动表现为受到了引力的作用。
爱因斯坦认为,既然光子时而相对于空间以速度c运动如双星实验,时而又相对于光源以速度c运动如迈克耳孙-莫雷干涉实验,为了消除矛盾,干脆令光子在所有的参照系中都是以速度c运动的。
于是,爱因斯坦将光速不变现象归纳为光速不变原理,并连同相对性原理,建立了狭义相对论。
根据狭义相对论,一方面认为物体的运动是受到限制的,不能超过光速;而另一方面又认为所有的参照系都是完全等价的,不存在特殊的参照系。
于是,根据狭义相对论,物体的运动会产生尺缩、时间变慢和质量的增大;但是,又没有运动的参照物,从而在认识上引起了很大的混乱。比如,产生了双生子佯谬。
为了解决上述的问题,爱因斯坦借助于将不同概念的惯性质量和引力质量等同起来,从而使物质的运动与空间建立起了相互的联系。这实际上,也是将表观的现象提升为普适的原理,并由此建立了广义相对论。
之所以会产生相对论并迅速地得到了广泛的认同,是因为当人类的认识超出宏观范围,作为物理背景的空间效应便显现了出来,使原有的经典力学不再适用。该理论只是忽略了空间效应的一维理想的物理理论。
狭义相对论和广义相对论分别是,在高速领域和宇观领域,描述空间对物体的运动产生影响的理论。
这是它们的进步意义,其不足则是缺乏具体的物理机制,没有引入具体的量子空间,从而使狭义相对论因没有运动的物理背景而陷入了认识的困境,使广义相对论只能把空间的引力作用归结为空间的几何弯曲;从而使相对论脱离了现实的物理世界,而只是建立了现象之间的外在联系,其仅只是一个数学的解决方案。
总之,相对论的认识意义在于揭示了物体的运动会受到空间的影响,其局限性则在于只是唯象的初级理论,缺乏具体的物理机制,从而无法形成统一的认识。