23．在转动的参考物体上的钟和量杆的行为

到目前为止，我在广义相对论中故意避而不谈空间数据和时间数据的物理解释。因而我在论述中犯了一些潦草从事的毛病；我们从狭义相对论知道，这种毛病决不是无关重要和可以宽容的。现在是我们弥补这个缺陷的最适当的时候了；但是开头我就要提一下，这个问题对读者的忍耐力和抽象能力会提出不小的要求。

我们还是从以前常常引用的十分特殊的情况开始，让我们考虑一个空时区域，在这里相对于一个参考物体Ｋ（其运动状态己适当选定）不存在引力场。这样，对于所考虑的区域而言，Ｋ就是一个伽利略参考物体，而且狭义相对论的结果对于Ｋ而言是成立的。我们假定参照另一个参考物体Ｋ’来考察同一个区域。

设Ｋ’，相对于Ｋ作匀速转动。为了使我们的观念确定，我们设想Ｋ’，具有一个平面圆盘的形式，这个平面圆盘在其本身的平面内围绕其中心作匀速转动。在圆盘Ｋ’上离开盘心而坐的一个观察者感受到沿径向向外作用阶一个力；相对于原来的参考物体Ｋ保持静止的一个观察者就会把这个力解释为一种惯性效应（离心力）。但是，坐在圆盘上的观察者可以把他的圆盘当作一个“静止”的参考物体；根据广义相对性原理，他这样设想是正当的。他把作用在他身上的、而且事实上作用于所有其他相对于圆盘保持静止的物体的力，看作是一个引力场的效应；然而，这个引力场的空间分布，按照牛顿的引力理论，看来是不可能的。但是由于这个观察者相信广义相对论，所以这一点对他并无妨碍；他颇有正当的理由相信能够建立起一个普遍的引力定律——这一个普遍的引力定律不仅可以正确地解释众星的运动，而且可以解释观察者自己所经验到的力场。

这个观察者在他的圆盘上用钟和量杆做实验。他这样做的意图是要得出确切的定义来表达相对于圆盘Ｋ’的时间数据和空间数据的含义，这些定义是以他的观察为基础的，这样做他会得到什么经验呢？

首先他取构造完全相同的两个钟，一个放在圆盘的中心，另一个放在圆盘的边缘。因而这两个钟相对于圆盘是保持静止的。我们现在来问问我们自己，从非转动的伽利略参考物体的立场来看，这两个钟是否走得快慢一样：从这个参考物体去判断，放在圆盘中心的钟并没有速度，而由于圆盘的转动，放在圆盘边缘的钟相对于Ｋ是运动的。按照第１２节得出的结果可知，第二个钟永远比放在圆盘中心的钟走得慢，亦即从Ｋ去观察，情况就会这样。显然，我们设想坐在圆盘中心那个钟旁边的一个观察者也会观察到同样的效应，因此；在我们的圆上，或者把情况说得更普遍一些，在每一个引力场中，一个钟走得快些或者慢些，要着这个钟（静止地）所放的位置如何。由于这个缘故，要借助于相对于参考物体静止地放置的钟来得出合理的时间定义是不可能的。我们想要在这样一个例子中引用我们早先的同时性定义时也遇到了同样的困难，但是我不想再进一步讨论这个问题了。

此外，在这个阶段，空间坐标的定义也出现不可克服的困难，如果这个观察者引用他的标准量杆（与圆盘半径相比，一根相当短的杆），放在圆盘的边上并使杆与圆盘相切，那么，从伽利略坐标系去判断，这根杆的长度就小于１，因为，按照第１２节，运动的物体在运动的方向发生收缩。另一方面，如果把量杆沿半径方向放在圆盘上，从Ｋ去判断，量杆不会缩短。那么，如果这个观察者用他的量杆先量度圆盘的圆周，然后量度圆盘的直径，两者相除，他所得到的商将不会是大家熟知的数π＝３．１４……，而是一个大一些的数；而对于一个相对于Ｋ保持静止的圆盘，这个操作和运算当然就会准确地得出π。这证明，在转动的圆盘上，或者普遍他说，在一个引力场中，欧几里得几何学的命题并不能严格地成立，至少是如果我们把量杆在一切位置和每一个取向的长度都算作１的话，因而关于直线的观念也就失去了意义：所以我们不能借助于在讨论狭义相对论时所使用的方法相对于圆盘严格地来了坐标ｘ，ｙ，ｚ的定义；而只要事件的坐标和时间的定义还没有给出，我们就不能赋予（在其中出现这些事件的）任何自然律以严格的意义。

这样，所有我们以前根据广义相对论得出的结论看来也就有问题。在实际情况中我们必须作一个巧妙的迂回才能够严格地应用广义相对论的公设。下面我将帮助读者对此作好准备。