（本文为《物理与工程》2017年第2期特约稿件。图片为本文作者中国科大学理论化学研究所张元仲研究员）
（中科院理论化学所）
1背景
早在1970年,我们在文献中就听到数学学界公认的评论：“狭义相对论和量子热学是近代数学学的两大支柱”；近来署名的于2012年5月5日上传网路的“第15章狭义相对论热学基础”第3张片子也展示了这个说法。图1为网路截图，下载地址是：_8Z-
图1网路截图
须要注意的是，早年有的文献为了省事而把其中的“狭义”二字省略了，在其他的化学学名称中也略去了“狭义”二字，比如相对论热学、相对论量子热学等，其中的“相对论”都是指“狭义相对论”。爱因斯坦在1916年发表的《广义相对论基础》[1]中特意作了说明：“下面要阐述的理论，是对现在一般所说的‘相对论’所做的可能想像得到的最为详细的推广。为了易于区别起见，之后我称上述‘相对论’为‘狭义相对论’，但是假设已为你们所晓得。”
如今难以考证前些年是什么专家或博士生把“相对论是近代数学学的一大支柱”中的“相对论”当成了“广义相对论”！于是在院校和研究院所的某些博士结业论文中出现了完全错误的评论：“广义相对论是现代数学理论的支柱”；这些错误的评论近些年来也出现在一些专家院士的基金项目建议书和申请书中。为了防止这类错误继续误人子弟，下边说明作为近代化学学的一大支柱为何是“狭义相对论”而不是“广义相对论”。
2狭义相对论的两条基本原理（或说假定）
（1）狭义相对性原理：一切化学定理在所有惯性系中均有效。
（2）光速不变原理：光在真空中总是以不变速度c传播且与光源的运动状态无关。
下边对这两条基本原理作必要的说明。
3洛伦兹变换
狭义相对论适用的惯性系K(x,y,z,t)中的三维欧式空间座标（x,y,z）是笛卡尔座标（与伽利略变换中的空间座标没有区别）；并且，时间座标t的定义与精典热学的完全不同，这儿的时间座标是用光速不变原理定义的：空间各地都放有一只标准时钟来检测当地的时间，而且只有把各地的时钟互相对准（即定义同时性）以后能够相互比较时间顺序。这时各地时钟指示的时间才是K系的座标时间t；时钟对准的过程如下：
K系中空间的任意位置P(x,y,z)到座标原点O的距离是
，假定在初始时刻从原点O向P发射一个光讯号，这个光讯号抵达P所耗费的时间是
t=r/c
（1）
P点的时钟接收到这个讯号时把自己的时间调到式（1）给出的数值，这就把空间各地的时钟与座标原点的时钟对准了（也就是互相对准了）；所以式（1）的右边就是K系中的时间座标。
K′系中的时间座标t′的定义完全类似：
t′=r′/c
（2）
其中
是K′系中的P′(x′,y′,z′)点到座标原点O′的距离。式（1）和（2）就是（双向）光速不变原理的物理表达式（一般写成平方的方式）。
惯性系是由惯性定理定义的：一个不受力的质点在惯性系看来它要么相对静止要么匀速直线运动。由相对性原理晓得，在K系作匀速直线运动的质点在K′系也是匀速直线运动。设K系和K′系具有特殊的初始状态：K′系相对于K系沿其x的正向以不变速度v运动，且在初始时刻两系相互重合。要使在K系作匀速直线运动的质点在K′系看来也是匀速直线运动，这么这两个惯性系之间的座标变换（最简单的方式）是如下的线性变换（为了简单略去垂直方向的座标变换y′=y,z′=z）：
（3）
其中，3个常数α,β,γ要由光速不变原理的方程式（1）和（2）确定：因此，式（3）代入式（2）的平方方式后使其弄成式（1）的平方方式就得到这3个常数的3个代数等式，即
从中解出它们后便得到一般的洛伦兹变换：
（4）
这个变换称为齐次洛伦兹变换。假如K系和K′系在初始时刻不重合而是有相对位移，这么齐次洛伦兹变换式（4）就弄成非齐次洛伦兹变换（或说彭加勒变换）：
（5）
其中略去了
；4个常数的时空座标
代表时空平移（彭加勒时空平移）。
如今说明，假若保持相对性原理不变，而更换双向光速不变假定，情况将会怎样。诸如：
(1）用双程光速不变（单程光速可变）的假定取代双向光速不变假定，由此定义的座标时间也就不同于式（1）和式（2），并且连同相对性原理导入的座标变换就不是洛伦兹变换而是爱德瓦兹变换[2]。相应的理论称为回路光速不变的狭义相对论。
（2）用瞬时讯号（即传播速率为无穷大）的假定取代双向光速不变假定，这样定义的时间座标就是伽利略时间座标，连同相对性原理导入的就是伽利略变换；也就是在洛伦兹变换中取c等于无穷大的情况。
里面的剖析显示，3种不同的同时性定义连同相对性原理会导入3种不同的座标变换，所以说狭义相对论的（双向）光速不变原理与相对性原理是相互独立的基本假定。
4狭义相对论是近代化学理论的一大支柱
有了前面的洛伦兹变换（4）和式（5）后就可以把狭义相对性原理具体叙述为：一切化学定理的方程式在洛伦兹变换下保持方式不变（或则说协变性）。
近代化学理论就是用（狭义）相对性原理的这些叙述构造下来的。构造的方式一般是作药量方式，即使用化学系统的动力学变量构造出在洛伦兹变换下不变的作药量，之后取该作药量对动力学变量的变分等于零（最小作药量原理）即得到该化学系统的动力学多项式（欧拉-拉格朗日多项式），这样得到的多项式在洛伦兹变换下保持方式不变（即满足狭义相对性原理的要求）。诸如近代物理学理论，平直时空的宏观理论有：（狭义）相对论热学、运动介质的（狭义）相对论电磁学等；微观理论有：（狭义）相对论量子热学、（狭义）相对论性的量子电动热学、（狭义）相对论性的粒子化学理论等。所有那些（宏观的和微观的）理论其动力学方程式都在洛伦兹变换下保持方式不变（即满足狭义相对性原理的要求）；并且，这种化学系统的作药量在非齐次洛伦兹变换下的不变性给出守恒定理（齐次洛伦兹不变性给出角动量守恒定理；时间坐标的平移不变性给出能量守恒定理；空间坐标的平移不变性给出动量守恒定理）。所以说狭义相对论是所有那些近代化学理论的一大支柱（也就是说没有狭义相对论就没有这种近代化学理论。其实，量子热学是微观化学理论的另一大支柱）。
1905年狭义相对论诞生以后，牛顿引力定理也必须推广成洛伦兹变换下的协变型式；并且在平直时空中难以做到这一点，因此爱因斯坦于1915年完善了弯曲时空的引力理论即广义相对论。
广义相对论也有两个基本假定：（1）广义相对性原理（或说广义协变原理）；（2）爱因斯坦等效原理（或说强等效原理）。强等效原理可以叙述为[3]：在弯曲时空的每一个时空点附近（局部）都可以构建一个局部惯性系，在其中进行非引力的化学实验得到的化学定理都是狭义相对论的方式（也就是说那些化学定理在洛伦兹变换下保持不变近代物理学理论，比如宏观电磁学实验给出的就是电动热学，微观电磁学实验给出的就是量子电动热学；机械热学实验给出的就是狭义相对论热学，等等）。所以说，狭义相对论也是广义相对论的支柱（在弯曲时空的局部满足狭义相对性原理）。广义相对论也就是（局部）狭义相对论性的引力理论，它只是描写引力互相作用的理论，跟电磁理论、弱作用理论、强作用理论等属于同一层次，不可能谁是谁的支柱（或基础）。只有狭义相对论才是所有4种基本互相作用（引力、电磁力、弱力、强力）的近代化学理论的支柱。因而，“广义相对论是现代数学理论的支柱”这种说法是化学概念的混乱。
参考文献
[1]爱因斯坦.广义相对论基础，美国《物理学记事》第4系列[M].1916,49:769-822.
（中译文参见广州人民出版社1973年出版的《爱因斯坦专著选编》第36页）
[2]WF.inspace[J].Am.J.Phys.,1963(31):482.
（或参见张元仲.狭义相对论实验基础,第1.2节.上海：科学出版社,1979)
[3]温伯格.引力论和宇宙论（广义相对论的原理和应用）[M].上海：科学出版社,1980:75-76.
引文格式:张元仲.为何说狭义相对论是近代化学学的一大支柱[J].化学与工程，2017，27（2）：3-5.