女士们，先生们：

　　今天我所要讨论的问题，是弯曲空间及其与引力现象的关系。你们当中任何一个人都能够很容易地想象出一条曲线或一个曲面，对于这一点，我是一点也不怀疑的；但是，一提到三维的弯曲空间，你们的脸就全拉长了，你们大概认为，这是某种极不寻常的、几乎是超自然的东西。为什么人们这样普遍对弯曲空间怀有“恶感”，难道这个概念真的比曲面的概念更难以理解吗？要是你们稍稍多想一想，大概就有许多人会说，你们之所以觉得难以想象出一个弯曲空间，是因为你们无法像观察一个球的曲面，或者像观察马鞍那类二维的曲面那样，“从外面”对它进行观察。但是，那些说这种话的人，只不过是暴露出他们自己不懂得曲率的严格数学意义罢了，事实上，这个词的数学含义同它的一般用法是有相当大的区别的。我们数学家说某个面是弯曲的，那是说，我们在这个面上所画的几何图形的性质，不同于在平面上所画的同一几何图形的性质，并且，我们用它们偏离欧几里得古典法则的程度来衡量曲率的大小。如果你在一张平坦的纸上画一个三角形，那么，正如你从初等几何学所得知的那样，这个三角形三个角的总和等于两个直角。你可以把这张纸弯成圆柱形、圆锥形，或者甚至弯成更复杂的形状，但是，画在这张纸上那个三角形的三个角之和，必定永远保持等于两个直角。

　　这种面的几何性质不随上述形变而改变，因此，从“内在”曲率的观点看来，形变后所得到的各种面（尽管在一般概念中是弯曲的），事实上是和平面一样平坦的。

　　但是，你要是不把一张纸撕破，你就无法把它贴切地贴在球面上或鞍形面上；不仅如此，如果你想在一个球面上画一个三角形（即所谓球面三角形），那么，欧几里得几何学那些简单的定理就不再成立了。事实上，我们可以用北半球上任何两条半截的子午线（即经线）与两者之间那段赤道所构成的三角形作为例子，这时，三角形底边的两个角都是直角，而顶角则可以具有任意大的角度，这三个角之和显然大于两个直角。

　　同球面的情形相反，在鞍形面上，你会惊讶地发现，三角形三个角之和永远小于两个直角。

　　可见，要确定一个面的曲率，必须研究这个面上的几何性质，而从外面来观察常常会产生错误。仅仅依靠这种观察，你大概会把圆柱面同环面划为一类，其实，前者是平面，后者却是无法矫正的曲面。你一旦习惯于曲率的这种新的、严格的数学概念，你就不难明白，物理学家们在讨论我们所居住的空间到底是不是弯曲的时候，他们所指的是什么东西了。我们不需要跑到我们所居住的三维空间的“外面”去“看看”它是否弯曲；而可以留在这个空间中进行一些实验，去查明欧几里得几何学的普通定律是不是还能成立。

　　但是，你们也许会觉得奇怪：为什么我们在一切场合下都应该指望空间的几何性质与已经成为“常识”的欧几里得几何有所不同呢？为了表明这种几何性质确实取决于各种物理条件，让我们设想有一个巨大的圆形舞台，像唱片那样绕着自己的轴匀速地转动着。再假设有一些小量尺，沿着从圆心到圆周上某一点的半径，头尾相接地排成一条直线；另一些量尺则沿着圆周排成一个圆。

　　在相对于那个安放舞台的房间静止不动的观察者A看来，当舞台在转动时，那些沿着舞台为圆周摆放的量尺是在其长度方向上运动，因此，它们会发生尺缩（正像我在第一次演讲中说过的那样）。这样一来，为了把圆周补全，所用的量尺就必须比舞台静止不动时更多一些。而那些沿着半径摆放的量尺，它们的长度方向正好同运动方向成直角，所以就不会发生尺缩，这样一来，不管舞台是不是在转动，都要用同样多的量尺去摆满从舞台的中心到圆周上某一点的距离。

　　可见，沿着圆周测出的距离C（用所需要的量尺数目表示）必将大于一般情况下的2πr，这里r是所测出的半径。

　　我们知道，在观察者A看来，这一切都是合情合理的，因为沿着圆周摆放的量尺的运动产生了尺缩效应。但是，对于站在舞台中心而且随着舞台转动的观察者B，情形又是什么样呢？她会怎样看待这个问题呢？由于她所看到的两组量尺的数目和观察者A相同，她同样会下结论说，这里的周长与半径之比不符合欧几里得几何学的定理。但是，假如舞台是处在一间没有窗子的封闭房子里，她就看不出舞台是在转动。那么，她会用什么原因来解释这种反常的几何性质呢？

　　观察者B可能并不知道舞台在转动，但是却会意识到在她周围正在发生某种奇怪的事情。她会注意到，放在舞台上不同地方的物体并不保持静止不动，它们全都从中心向外围进行加速运动，其加速度取决于它们的位置和中心的距离。换句话说，它们看起来都受到一种力（离心力）的支配。这是一种很奇怪的力，不管物体处在什么特定的位置，质量有多大，这个力总是以完全相同的加速度使它们向外围进行加速运动。换句话说，这种“力”似乎能够自动调整自己的强度去配合物体的质量，因而总是能产生物体所处位置特有的加速度。因此，观察者B会作出结论说，在这种“力”与她发现的非欧几里得几何性质之间，必然存在着某种关系。

　　不仅如此，我们还可以考虑一束光线前进时的路径。对于静止的观察者A来说，光线总是沿着直线传播的。但是，如果有一束光线贴着旋转舞台的表面穿过舞台，又会怎么样呢？尽管在观察者A看来、这束光线一直是沿着直线行进的，但是，它在旋转舞台的表面上划出的路径却并不是直线，这是因为这束光需要一定的时间才能穿过舞台。而在这段时间内，舞台已经转过一定的角度（这就像你用快刀在旋转的唱片上划一条直线时，唱片上的划痕会是一条曲线而不是直线那样）。因此，站在旋转舞台中心的观察者B会发现，那束光线在从舞台的一侧穿到另一侧时，并不是沿着直线、而是沿着曲线行进。她会像前面提到的周长与半径之比的场合那样，把这种现象归因于在她周围起作用的特殊物理条件所产生的那个特殊的“力”。

　　这种力不仅影响到几何性质（包括光线行进的路径），并且还影响着时间的进程。把一个钟表放在旋转舞台的外围，就可以把这种情况演示出来。观察者B会发现，这个钟表比放在舞台中心的钟表走得慢。从观察者A的观点看，这个现象是最容易理解不过了，因为他注意到，那个放在外围的钟表在随着舞台的转动而运动，所以比起放在舞台中心。位置保持不变的钟表来，它的时间便延长了（钟慢效应）。而观察者B由于没有意识到舞台的转动，就必定把那个钟表走得慢归因于前面所说的那个“力”的存在。这样一来，我们便可以知道，不论是几何性质还是时间进程，都能够成为物理环境的函数。

　　现在我们再来讨论一种不同的物理场合——这是我们在地面附近发现的情形：一切物体都被地心引力吸向地面。这同旋转舞台上的一切物体都被甩向外围的情形有点相似。如果我们注意到下落的物体所得到的加速度只与其位置有关而与其质量无关时，这种相似性便更明显了。从下面要介绍的事例，我们甚至可以更加清楚地看到引力与加速运动之间的这种对应关系。

　　假设有一艘专门进行星际航行的宇宙飞船，它自由自在地在空间中某个地方漂浮着，不管离哪一颗恒星都非常远，因而在飞船中不存在任何引力。结果，在这样一艘飞船里的一切物体，包括乘坐它旅行的实验者在内，就都没有任何重力，他们会像凡尔纳著名的幻想小说中的阿尔丹及其旅伴在飞往月球的旅途中那样，自由自在地在空气中漂浮着。

　　现在，发动机开动了，我们的飞船开始运动，并且逐渐增大速度。这时在飞船内部会发生什么情况呢？很容易看出，只要飞船处在加速状态，飞船内部的一切物体就会显示出朝着飞船底部运动的倾向，或者是说，飞船底部将朝着这些物体运动——这两种说法是一码事。举个例子吧，要是我们的实验者手中拿着一个苹果，然后撒手把它放开，那么，这个苹果必将以固定不变的速度——即飞船在放开苹果那一瞬间的运动速度——相对于周围的恒星继续运动。但是，飞船本身却在加大速度，结果，船舱的底部由于在整个时间里运动得越来越快，它最后必将赶上那个苹果，并且撞上它。从这个瞬时起，这个苹果就会永远同底部保持接触状态，并且靠稳定的加速度而压在底部上。

　　但是，在飞船内部的实验者看来，这种情况却好像是那个苹果在以固定的加速度“下落”，并且在击中底板以后，继续靠它自身的重力压在底板上。如果他再让别的物体掉下，他就会进一步发现，所有这些物体全都以完全相同的加速度落下（如果忽略掉空气的摩擦力的话），于是他就会想起，这恰好就是伽利略所发现的自由落体定理。事实上，他根本不能够发现在加速船舱中的现象与一般重力现象之间有一点点最细微的差别。他完全可以使用带钟摆的时钟，可以把书放在书架上而不必担心它们飞掉，还可以把爱因斯坦的照片挂在钉子上。大家知道，正是爱因斯坦最先指出，参考系的加速度是与重力场等效的，他还在这个基础上提出了所谓广义相对论。

　　但是，正像转动舞台那个例子一样，在这里，我们也会发现一些伽利略和牛顿在研究重力时所不知道的现象。这时，穿过船舱的光线将发生弯曲，并且随着飞船加速度的不同，而投射在对面墙上屏幕的不同地方。当然，在船舱外的观察者看来，这可以解释成光的匀速直线运动同飞船船舱的加速运动相叠加的结果。在船舱内的几何图形也必定是不正常的，由三条光线构成的三角形，它的三个角的总和并不等于两个直角，而一个圆的圆周与其直径之比则将大于通常的π值。在这里，我们所考虑的是加速系统的两个最简单的例子，但是，上面所说的等效性，对于任何一个指定的刚性的（或不可变形的）参考系的运动也同样成立。

《物理世界奇遇记》，乔治·伽莫夫