18．狹義和廣義相對性原理
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作為我們以前全部論述的中心的一個基本原理是狹義相對性原理，亦即一切勻速運動具有物理相對性的原理。讓我們再一次仔細地分析它的意義。
從我們由狹義相對性原理所接受的觀念來看，每一種運動都隻能被認為是相對運動，這一點一直是很清楚的。回到我們經常引用的路基和車廂的例子，我們可以用下列兩種方式來表述這裡所發生的運動，這兩種表述方式是同樣合理的：
車廂相對于路基而言是運動的。
路基相對于車廂而言是運動的。
我們在表述所發生的運動時，在以）中是把路基當作參考物體；在（２）中是把車廂當作參考物體。如果問題僅僅是要探側或者描述這個運動而已，那麼我們相對于哪一個參考物體來考察這一運動在原則上是無關重要的。前面已經提到，這一點是自明的，但是這一點決不可同我們已經用來作為研究的基礎的。稱之為&ldquo相對性原理&rdquo的更加廣泛得多的陳述混淆起來。
我們所引用的原理不僅認為我們可以選取車廂也可以選取路基作為我們的參考物體來描述任何事件（因為這也是自明的）。我們的原理所斷言的乃是：如果我們表述從經驗得來的普遍的自然界定律時引用：
（１）路基作為參考物體；
（２）車廂作為參考物體；
那麼這些普遍的自然界定律（例如力學諸定律或真空中光的傳播定律）在這兩種情況中的形式完全一樣。這一點也可以表述如下：對于自然過程的物理描述而言，在參考物體Ｋ，Ｋ&rsquo中沒有一個與另一個相比是唯一的（字面意義是&ldquo特别标出的&rdquo），與第一個陳述不同，後一個陳述并下一定是根據推論必然成立的；這個陳述并不包含在&ldquo運動&rdquo和&ldquo參考物體&rdquo的概念中，也不能從這些概念推導出來：唯有經驗才能确定這個陳述是正确的還是不正确的。
但是，到目前為止，我們根本沒有認定所有參考物體Ｋ在表述自然界定律方面具有等效性。我們的思路主要是沿着下列路線走的。首先我們從這樣的假定出發，即存在着一個參考物體Ｋ，它所具有的運動狀态使伽利略定律對于它而言是成立的：一質點若不受外界作用并離所有其他質點足夠遠。則該質點沿直線作勻速運動。參照Ｋ（伽利略參考物體）表述的自然界定律應該是最簡單的。但是除Ｋ以外，參照所有參考物體Ｋ&rsquo表述的自然界定律也應該是最簡單的，而且，隻要這些參考物體相對于Ｋ是處于勻速直線無轉動運動狀态。這些參考物體對于表述自然界定律應該與Ｋ完全等效；所有這些參考物體都應認為是伽利略參考物體，以往我們假定相對性原理隻是對于這些參考物體才是有效的，而對于其他參考物體（例如具有另一種運動狀态的參考物體）則是無效的。在這個意義上我們說它是狹義相對性原理或狹義相對論。
與此對比，我們把&ldquo廣義相對性原理&rdquo理解為下述陳述：所有參考物體Ｋ、Ｋ&rsquo等不論它們的運動狀态如何，對于描述自然現象（表述普遍的自然界定律）都是等效的。但是在我們繼續談下去以前應該指出，這一陳述在以後必須代之以一個更力抽象的陳述，其理由要等到以後才會明白。
由于已經證明引進狹義相對性原理是合理的，因而每一個追求普遍化結果的人必然很想朝着廣義相對性原理探索前進。但是從一種簡單而表面上頗為可靠的考慮看來，似乎至少就目前而論這樣一種企圖是沒有多少成功的希望的。讓我們轉回到我們的舊相識，勻速向前行駛的火車車廂，來設想一番。隻要車廂作勻速運動，車廂裡的人就不會感到車廂的運動。由于這個理由，他可以毫不勉強地作這樣的解釋，即這個例子表明車廂是靜止的，而路基是運動的。而且，按照狹義相對性原理，這種解釋從物理觀點來看也是十分合理的。
如果車廂的運動變為非勻速運動，例如使用制動器猛然煞車，那麼車廂裡的人就經驗到一種相應的朝向前方的猛烈沖動。這種減速運動由物體相對于車廂裡的人的力學行為表現出來。這種力學行為與上述的例子裡的力學行為是不同的；因此，對于靜止的或作勻速運動的車廂能成立的力學定律，看來不可能對于作非勻速運動的車廂也同樣成立。無論如何，伽利略定律對于作非勻速運動的車廂顯然是不成立的。由于這個原因，我們感到在目前不得不暫時采取與廣義相對性原理相反的做法而特别賦予非勻速運動以一種絕對的物理實在性。但是在下面我們不久就會看到，這個結論是不能成立的。
從我們由狹義相對性原理所接受的觀念來看，每一種運動都隻能被認為是相對運動，這一點一直是很清楚的。回到我們經常引用的路基和車廂的例子，我們可以用下列兩種方式來表述這裡所發生的運動，這兩種表述方式是同樣合理的：
車廂相對于路基而言是運動的。
路基相對于車廂而言是運動的。
我們在表述所發生的運動時，在以）中是把路基當作參考物體；在（２）中是把車廂當作參考物體。如果問題僅僅是要探側或者描述這個運動而已，那麼我們相對于哪一個參考物體來考察這一運動在原則上是無關重要的。前面已經提到，這一點是自明的，但是這一點決不可同我們已經用來作為研究的基礎的。稱之為&ldquo相對性原理&rdquo的更加廣泛得多的陳述混淆起來。
我們所引用的原理不僅認為我們可以選取車廂也可以選取路基作為我們的參考物體來描述任何事件（因為這也是自明的）。我們的原理所斷言的乃是：如果我們表述從經驗得來的普遍的自然界定律時引用：
（１）路基作為參考物體；
（２）車廂作為參考物體；
那麼這些普遍的自然界定律（例如力學諸定律或真空中光的傳播定律）在這兩種情況中的形式完全一樣。這一點也可以表述如下：對于自然過程的物理描述而言，在參考物體Ｋ，Ｋ&rsquo中沒有一個與另一個相比是唯一的（字面意義是&ldquo特别标出的&rdquo），與第一個陳述不同，後一個陳述并下一定是根據推論必然成立的；這個陳述并不包含在&ldquo運動&rdquo和&ldquo參考物體&rdquo的概念中，也不能從這些概念推導出來：唯有經驗才能确定這個陳述是正确的還是不正确的。
但是，到目前為止，我們根本沒有認定所有參考物體Ｋ在表述自然界定律方面具有等效性。我們的思路主要是沿着下列路線走的。首先我們從這樣的假定出發，即存在着一個參考物體Ｋ，它所具有的運動狀态使伽利略定律對于它而言是成立的：一質點若不受外界作用并離所有其他質點足夠遠。則該質點沿直線作勻速運動。參照Ｋ（伽利略參考物體）表述的自然界定律應該是最簡單的。但是除Ｋ以外，參照所有參考物體Ｋ&rsquo表述的自然界定律也應該是最簡單的，而且，隻要這些參考物體相對于Ｋ是處于勻速直線無轉動運動狀态。這些參考物體對于表述自然界定律應該與Ｋ完全等效；所有這些參考物體都應認為是伽利略參考物體，以往我們假定相對性原理隻是對于這些參考物體才是有效的，而對于其他參考物體（例如具有另一種運動狀态的參考物體）則是無效的。在這個意義上我們說它是狹義相對性原理或狹義相對論。
與此對比，我們把&ldquo廣義相對性原理&rdquo理解為下述陳述：所有參考物體Ｋ、Ｋ&rsquo等不論它們的運動狀态如何，對于描述自然現象（表述普遍的自然界定律）都是等效的。但是在我們繼續談下去以前應該指出，這一陳述在以後必須代之以一個更力抽象的陳述，其理由要等到以後才會明白。
由于已經證明引進狹義相對性原理是合理的，因而每一個追求普遍化結果的人必然很想朝着廣義相對性原理探索前進。但是從一種簡單而表面上頗為可靠的考慮看來，似乎至少就目前而論這樣一種企圖是沒有多少成功的希望的。讓我們轉回到我們的舊相識，勻速向前行駛的火車車廂，來設想一番。隻要車廂作勻速運動，車廂裡的人就不會感到車廂的運動。由于這個理由，他可以毫不勉強地作這樣的解釋，即這個例子表明車廂是靜止的，而路基是運動的。而且，按照狹義相對性原理，這種解釋從物理觀點來看也是十分合理的。
如果車廂的運動變為非勻速運動，例如使用制動器猛然煞車，那麼車廂裡的人就經驗到一種相應的朝向前方的猛烈沖動。這種減速運動由物體相對于車廂裡的人的力學行為表現出來。這種力學行為與上述的例子裡的力學行為是不同的；因此，對于靜止的或作勻速運動的車廂能成立的力學定律，看來不可能對于作非勻速運動的車廂也同樣成立。無論如何，伽利略定律對于作非勻速運動的車廂顯然是不成立的。由于這個原因，我們感到在目前不得不暫時采取與廣義相對性原理相反的做法而特别賦予非勻速運動以一種絕對的物理實在性。但是在下面我們不久就會看到，這個結論是不能成立的。