广义相对论发表以来一直是最成功的引力理论

这是为一本书写的前言，简单介绍了“连续统”的物理，从经典力学到广义相对论的历程。

那本书没能出版，在此把部分内容奉上。

本书谈论的内容是相对论、引力波、黑洞、微波背景辐射、暗物质、暗能量这些较为前沿的物理话题。

• 2016年2月11日，人类才首次探测到引力波。
• 2019年4月10日，人类才首次得到黑洞的照片。

这都是近几年才发生的事。

考虑到大部分读者并未经受过经典物理的洗礼，即便是理解本书的入门话题（狭义相对论）也有不少的难度，笔者决定在故事开始之前简单地介绍经典物理的脉络（主要是与相对论联系密切的内容），希望能让各位读者明白广义相对论之前的物理学的整体框架。

千万不要小瞧经典物理，没有经典物理的基础，那些前沿的物理话题只是无源之水、无本之木。

贯穿经典物理的是一种被称为“还原论”的思想，这种思想主张把世间万物都看成是由更为基础的事物组成的，这个过程可以被称为“还原”。

经典物理将世间万物还原成了这么几个成分：

• 惰性粒子
• 力
• 空间
• 时间

宇宙的图景可以被简单地描述为：惰性粒子受到力的推动，在空间和时间中穿行。

之所以称之为“惰性粒子”，是因为没有力的推动，它就会一直保持原本的状态，这其实就是经典力学中的牛顿第一定律。

物理学家最开始研究的是单个惰性粒子（质点，具有质量的点）在力的作用下如何运动，发展出了质点力学（关于平移的力学，质点只能发生平移）。

随后更进一步，研究多个惰性粒子组成的刚性结构（刚体，不发生形变的物体）在力的作用下如何运动，发展出了刚体力学（关于平移和旋转的力学，刚体可以平移和旋转）。

这些都是“紧凑”的力学，力的作用效果会瞬间传遍质点或刚体，这种力学只关注了力的一个作用效果：改变物体的运动状态。

要知道，力还有另一个作用效果：使物体发生形变。

物理学家随后在“紧凑”的力学的基础上研究了“分散”的力学，包括弹性力学（研究弹性介质，包括大部分固体）和流体力学（研究流体，包括液体和气体）。

力的作用效果不会瞬间传遍整个弹性介质或流体，这会使它们发生形变。

弹性介质和流体可以统称为连续介质，再和后续发展的塑性力学和弹塑性力学合并，由此可以得到统一的连续介质力学（关于平移、旋转、形变的力学）。

连续介质非常接近我们生活中接触的物体，有弹性、塑性、粘性，内部还有应力（应力的直观表现就是物体的热胀冷缩，是物体内部固有的力），所有这些性质都是连续介质力学要讨论的内容，所以连续介质力学除了要研究力的作用效果（动力学方程），还要研究物质自身的性质（本构方程）。

从此以后，物理学的方程被分成两类：

• 动力学方程
• 本构方程

在连续介质力学建立之后，人类终于能够描述力的作用效果在连续介质（固体、液体、气体）中的传播规律。这种传播表现为机械波，声波就是我们最常接触的一种机械波，所以声学其实是连续介质力学的一个分支。除此之外，地震波、冲击波也是典型的机械波。

我们目前谈到的“力”是生活中给我们直观感受的力，可以将这种力称为机械力，所以现在可以将机械波理解为机械力对连续介质的扰动的传播。

我们需要从连续介质力学中领悟一条至关重要的原理：机械力的作用效果在连续介质中以有限的速度传播，传播的速度就是介质中的音速。

后续要提到的电磁波和引力波也有着相似之处，只不过它们的传播速度是光速。

回顾这个过程，力学经历了质点力学、刚体力学、连续介质力学的道路。走到连续介质力学这一步，经典力学才算是成熟了。

笔者需要强调，连续介质力学是狭义相对论的基础，更是广义相对论的基础，没有连续介质力学的基础，在相对论的道路上是走不远的，攀登物理的高峰一定要脚踏实地。

这样的力学体系有三种等价的表述：

• 牛顿力学
• 拉格朗日力学
• 哈密顿力学

牛顿力学是大部分人所熟知的力学，着眼于力与运动之间的关系，以牛顿三定律为基础。

拉格朗日力学和哈密顿力学则是着眼于“最小作用量原理”的力学，在力学系统可能发生的所有运动中只有满足这条原理的运动才是实际发生的运动。

力在时间上积累的效果表现为动量，力在空间上积累的效果表现为能量，如果同时考虑力在时间和空间上积累的效果，那就表现为作用量。所以可以把作用量看成是动量在空间上积累的效果，或是能量在时间上积累的效果。

最小作用量原理绝对称得上是物理学中最普遍的原理，一切物理定律都可以看作是最小作用量原理的不同表现形式。

在力学体系的建立过程中，人类完成了对于自然界的一种初步的统一，这是科学与神话分道扬镳的标志：天上和地上遵循着相同的规律。

万有引力定律打破了天与地之间的隔阂，世间万物之间都存在引力，束缚月球绕着地球转的力和让苹果下落的力是同一种力。

万有引力支配着宇宙在大尺度上的结构以及宇宙的演化过程，它也是本书讨论的主题。

在力学体系成熟之后，物理学家逐渐形成了一种统一的观念：力学自然观。当然，这种观念的形成也得益于热学、光学、电磁学的发展。

力学自然观认为一切自然现象（运动、力、声、热、光、电、磁、化学反应）在本质上都是力学现象，都是不同的惰性粒子在不同的力的推动下的运动，这种观念最广为人知的成果就是能量守恒与转换定律。

这是“大统一理论”的首次出场，人类第一次明确地意识到世间万物是一个统一的整体。

在力学自然观的指引下，物理学家构造了“热”的力学结构、“光”的力学结构、“电”的力学结构、“磁”的力学结构，不过这些结构总是难以和实验规律完全相符，这使得物理学家开始推崇抽象的力学：分析力学。

这种力学其实就是前面提到的拉格朗日力学和哈密顿力学，使用这种力学可以忽略具体的力学结构，只需要关注作用量即可。

现代物理学使用的也都是分析力学的框架，这让物理学真正成为了一门像样的学问。

前面对连续介质力学的介绍已经提到，运动、力、声波是统一的。

热学和化学与力学的统一则源于分子和原子的概念，之前抽象的惰性粒子被具体化成分子和原子，多个原子可以组成分子，它们都是非常微小的物质，一根头发丝的厚度可以横着排列500000个原子！

热现象被看成是大量分子运动的宏观表现，分子运动越快，温度就越高，物态变化（固体、液体、气体之间的转变）被看成是分子运动速度和分子间作用力的对抗的结果。

化学反应则被看成是各种分子内部的原子之间重新组合形成新的分子的过程，原子之间的力（化学键）支配着原子的拆分和组合。

在这样的背景下，热力学、统计力学、化学动力学诞生了。

光、电、磁，这三种现象的统一则是一部史诗，这是物理学中最重要的理论（场论）的诞生与成熟之路。

电现象和磁现象存在着“非接触力”，两块磁铁不需要接触，就能把力的作用效果传递给对方，由此产生了“场”的概念。带电物体周围存在着电场，磁铁周围存在着磁场，带电物体之间用电场传递“电力”，磁铁之间用磁场传递“磁力”。

电场和磁场都弥散在空间中，就像连续介质一样，事实上物理学家就是类比连续介质力学建立了电场和磁场的理论，可以将其称为电动力学（电磁学），其中包含着无与伦比的麦克斯韦方程组。

电场和磁场被描述为统一的电磁场的一体两面，电磁场就像连续介质一样，连续介质内部存在应力，电磁场内部也存在应力。连续介质在受到扰动时会产生机械波（机械力的作用效果的传播，传播速度是音速），电磁场在受到扰动时则会产生电磁波（电磁力的作用效果的传播，传播速度是光速）。

事实上“光”就是一种可见的电磁波（光波），光学的本质是电动力学（电磁学）。

宇宙中还存在着许多不可见的电磁波（无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线、伽马射线），对这些电磁波分类的依据是它们的振动频率。

光波的频率介于红外线和紫外线之间，只占完整的电磁波的很小一部分，所以当我们用肉眼望向星空时，看到的信息其实非常少，现代的天文观测已经使用了射电望远镜，用于接收天体发出的可见光之外的电磁波。

连续介质力学和电动力学非常相似，但它们的关系远不只是相似，事实上它们可以被一种特殊的物质状态合并，这种物质状态就是继固体、液体、气体之后的物质第四态：等离子体。

闪电、一些高温火焰就是自然存在的等离子体，当常见的物质（固体、液体、气体）在强大的电场下被击穿，原子被解离成电子和离子，大量的电子和离子聚集起来形成浆状物质，这就是等离子体，也被叫做“电浆”。

我们依然可以把等离子体看成是连续介质，不过等离子体受到电磁力（而不是机械力）的影响，所以为了描述等离子体，需要把连续介质力学和电动力学合并，等离子体动力学由此诞生。

这是经典的“连续统”的物理的大综合，这其中包含着许多神奇但鲜为人知的有趣现象（磁冻结、电子朗缪尔波、阿尔文波、离子声波、磁声波、电子回旋波）。可控核聚变的“人造太阳”就需要使用等离子体动力学去约束反应堆中的等离子体，除此之外等离子体动力学还是众多“边缘科学”的关键。

电动力学是我们目前谈论的“力学”中最特殊的一门学问，它引出了光速之谜。经典力学已经告诉我们静止是相对的，每当我们谈论“速度”，一定要清楚是相对于哪个参考系的速度。

麦克斯韦方程组可以计算出光速，但是却不清楚算出的光速是相对于哪个参考系的光速，测量光速的实验也只能测得一个光速，这与经典力学给我们的观念不符，因为经典力学对时间和空间的看法（经典时空观）并不准确，而电动力学直接使用了更为准确的时空观（相对论时空观）。

“动体的电动力学”在这样的背景下应运而生，这是对力学自然观的一次冲击，引出了电磁学自然观，这种观念认为自然界的一切现象都是电磁学现象，“以太”被放到了物理学的核心地位。

以太被认为是填满宇宙中的虚空的一种特殊物质，电磁场被看成是涡旋的以太，光波被看成是以太的振动（光速的问题被看成是以太固有的属性），电磁学自然观把我们所熟知的一切物质（固体、液体、气体）都看成是以太的不同表现形式（力学自然观则把我们所熟知的一切物质和电磁场看成是普通的惰性粒子的不同表现形式）。

狭义相对论的诞生调和了力学自然观和电磁学自然观的矛盾，它更偏向于力学自然观，只承认了普通的惰性粒子的存在，而把电磁学自然观中的以太的特殊性质转移给了空间和时间，提出了“同时”的相对性、钟慢尺缩这些神奇的效应。

经典力学中存在绝对时间和绝对空间，并且它们之间没有联系，而狭义相对论中的时间和空间都是相对的，统一的“四维时空”才是绝对的，这些内容在后续的章节会详细讨论。

前面我们提到的质点力学、刚体力学、连续介质力学、热力学、统计力学、等离子体动力学都是在经典的时空观中建立的，现在有了更为准确的相对论时空观，就要重新建立这些物理理论，可以将其统称为相对论力学（相对论质点力学、相对论刚体力学、相对论连续介质力学、相对论热力学、相对论统计力学、相对论等离子体动力学）。

当然，电动力学是一个特例，它从创立之初就遵循相对论时空观。

这是一个庞大的工程，物理学家从中受益颇深，仅仅是对相对论质点力学的探索就引出了划时代的质能方程E = mc2。这项庞大的工程至今还没有完全结束，或许各位读者在未来也可以为这项工程出一份力。

狭义相对论为世界万物的运动速度规定了一个极限：光速。但是有一种现象却没有被狭义相对论考虑在内，那就是万有引力。

在万有引力定律中，引力的作用会瞬间到达宇宙的每一个角落，不受光速的限制，这意味着狭义相对论并不是一个完善的理论。

另外，无论是经典力学还是狭义相对论，都使用了一种特殊的参考系：惯性系。惯性系是一种“平稳”的参考系，以匀速直线运动的物体为基准建立的参考系就是惯性系，不过“相对于谁匀速直线运动”是一个棘手的话题，似乎需要一个绝对的空间来解决“相对于谁”的问题，但是狭义相对论否定了绝对的空间。

引力和惯性系的问题最终导致了狭义相对论的推广，广义相对论的诞生。

与惯性系对应的是非惯性系，是以加速运动的物体为基准建立的参考系。当物体不受外力时，它会匀速直线运动，这是牛顿第一定律，这里的匀速直线运动是在惯性系中观察到的。

如果在非惯性系中观察，就会发现物体在加速，就像受到力的推动一样，这种效应被称为“惯性力”，惯性力只存在于非惯性系中，在惯性系中是没有惯性力的。

广义相对论起源于这样一条等效原理：在微小的区域内，万有引力和惯性力不可区分。

在引力的作用下自由下落的人处于完全失重状态，此时的人感受不到自己有重量，就像飘在空中一样，他感受不到自己有任何的加速，但是他却受到引力的作用，应该加速才对，在地面上的人看来他也确实在加速下落。

失重的人感受不到引力，这就像惯性系中没有惯性力一样，或许以失重的人为基准可以建立一个惯性系，失重的人也在做某种“匀速直线运动”。但是地面上的人确实看到他在加速下落，为了解决这个矛盾，可以认为时空本身“弯曲”了，导致了表面上的加速运动。

这种“时空弯曲”不能用常规的弯曲去理解，必须借助数学工具才能正确理解时空弯曲，这也是本书最主要的内容。

在广义相对论建立之后，现代宇宙学才得以建立，每当人们高谈阔论宇宙的起源、归宿的时候，都不应该忘记广义相对论是这一切话题的基础。