广义相对论对物质的认识 

             （物理学上的时空与物质 53 ）

           第六章  广义相对论关于物质的基本概念和基本规律

§6.1 广义相对论对物质的认识

    从第一章至第四章的讨论中，我们可以看到，物理学对时空和物质的认识是逐步发展的。例如，牛顿力学认为：时间是绝对的，‘同时’概念也是绝对的，力的传播是瞬时的，两个彼此远离的物质质点之间可以相互有力直接作用，而且作用力和反作用力，永远是同时出现、同时消失的；但狭义相对论的看法则有所不同，它认为：时间不是绝对的，同时概念也不是绝对的，是与所采用的惯性参照系有关的，力的传播是需要经历一段时间的，并且两个彼此远离的物质质点之间不存在直接的相互作用力，而是彼此通过场来施加作用。又如，牛顿力学认为：任何两个物质之间都存在万有引力作用，并遵从牛顿万有引力定律，而且实验事实表明,在具有很高精确度的情况下，可认为引力质量等于惯性质量；虽然狭义相对论时空可看作是牛顿力学时空的推广，可是在狭义相对论的时空中，无法建立一个万有引力定律，使它既可作为牛顿万有引力定律的推广，并且能符合引力质量等于惯性质量的实验事实；广义相对论时空是狭义相对论时空的推广，当然也是牛顿力学时空的更进一步的推广，广义相对论认为：任何两个物质之间彼此是通过引力场来施加引力作用的，引力场遵从爱因斯坦引力场方程，这个场方程符合引力质量等于惯性质量的实验事实。因之，目前物理学认为，广义相对论是对万有引力现象之本质的较好的认识。但这种看法还可能要改变，有挠引力理论对时空和引力的看法就比广义相对论的看法更加广泛和深入而有所不同，超对称引力理论和超弦理论更对时-空、物质特性、和引力提出了一些全新的看法。对这些问题，本书的后半部分还要进行一些讨论；在本章中我们只着重讨论广义相对论。

在第二章我们已指出过物理学中的物质存在共性，这些共性是普遍存在的，无论是对牛顿力学、对狭义相对论、对广义相对论或对其它引力理论，全都存在这些共性。我们也讲过，目前物理学中主要和大量研究过的对象是位于地球附近（或恒星附近）的物质；在这些区域，暗物质、暗能量均可忽略不计，因此 ，无论对牛顿力学、狭义相对论、广义相对论、有挠引力理论、或是量子力学和量子场论，所详细研究过得物质都是指重子-轻子物质（即通常的物质）。至于暗物质、暗能量的一些特性和它们的结构还了解得不是十分清楚，它们仍在研究之中，是当前物理学前沿研究的热门课题，本书不可能详细介绍，只是指出，暗物质的发现与研究星系中物质的引力问题有关，暗能量的发现与研究宇宙中物质的的引力问题有关。

    物理学中的物质不仅存在共性，还存在特性，不同的理论架构往往反映同一物质的不同特性。例如在第二章和第四章中我们讲过，一个物质体系的各种

本章将介绍在引力存在的情况下（或在弯曲时空中）一物质体系的拉格伦日函数和哈密顿原理。

        物质体系的各种物理特性可由其拉氏量L来反映，一个物理体系的运动和变化可由哈密顿原理来决定，这是物质的共性。不同的物理理论反映了物质的不同特性和人们对物质特性的不同的认识。随着物理科学研究的进展，物理学者的认识水平提高，一般来说，物理学对物质物理特性的认识应当是愈来愈正确。这就是说，狭义相对论对物质特性的认识应优于牛顿力学理论，广义相对论对物质特性的认识应优于狭义相对论。