编者按：
我们在《学习参考》栏目里强调学习的重要性，这为广大会员所理解。为了加强会员在自己领域的知识水准，我们从今天起开辟《探索前沿》栏目，不定期介绍国内外著名科学家在探索真理的道路上所发表真知灼见，以供朋友们借鉴。第一期发表湖北联络站副站长黄新卫先生的推荐文章，希望有更多的会员和我们一切做好这件事情。

●从爱因斯坦和波尔到霍金和威腾———兼谈国际教学弦理论
●物理学不是一个完成的逻辑体系--从温伯格的一段话谈起
●相对论体系并没有完成
●关于“包罗万象的理论”的争论
●弦理论家提出了跨世纪的十大理论问题
●狭义相对论的基本原理及其宇宙学意义－相对论百年礼记
●常曲率时空相对性原理及其宇宙学意义

（一）

著名物理学家郭汉英在穗讲学时表示:基础研究要带怀疑头脑(《人民日报 . 华南新闻》2002年09月18日第一版)  

　　本报广州9月17日讯　记者王可报道：日前，我国著名物理学家郭汉英先生以《从爱因斯坦和波尔到霍金和威腾———兼谈国际教学弦理论》为题，为中山大学、华南理工大学的物理教授和有关专家讲解了20世纪重大理论进展和跨世纪的10大物理问题，旨在希望中国在跨世纪中出现自己的基础研究大家和独创理论。
　　郭汉英现任中国科学院物理研究所研究员，博士生导师，他在经济物理、场论和数学物理等研究领域成果显著，两次获得国家自然科学二等奖。此次讲演，他明确表示中国人和中国学者要在基础研究领域奋发有为，不要迷信国外大科学家理论，要带着怀疑的、批判的头脑进行创造性地研究，这样中国才能拥有属于自己的独创理论，赶超世界科技水平。据华南理工大学的一名年轻教授介绍，郭汉英先生的演讲对于业内人而言非常有鼓舞。
我们知道和不知道的（摘自11月16日《科学时报》作者洪蔚）
　　从上中学的时候，记者就曾听到一位身为科学家的长辈这样表述：“物理学应该没有多少发展了。关于这个世界的物理方面的疑问，物理学家大多能给出相当准确的答案。”这番话是这位科学家在帮一个高考学生选择志愿时说的，当时给记者印象极深，以为世界已经在我们的掌握之中了。然而，在不久前的一次研讨会上，著名物理学家郭汉英在发言时，始终贯穿的一个主题，颠覆了人类的这种自信。他说，目前物理学对宇宙的了解，包括猜想只有4%，而完全不知的竟占到了70%。郭汉英的发言主要集中在目前物理学存在的问题。他反复强调，这些观点不是他个人提出来的，而是他最近一些年在各种国际会议上听各国物理学家提出的一种颇具代表性的观点。其中很让人深思的是，2004年诺贝尔物理学奖得主大卫•格罗斯，在他获奖同年提出的观点：“知识最重要的产品是无知。”我们知道的越多，发现我们不知道的也越多。郭汉英继续说，知识还有一个副产品———权威与偏见。
　　郭汉英发言时还引用爱因斯坦的一段原话：“大家都认为，当我回顾自己一生的工作时，会感到坦然和满意。但事实恰恰相反。在我提出的概念中，没有一个我确信能坚如磐石，我也没有把握自己总体上是否处于正确的轨道。”郭汉英总结国际物理学同行的观点，并提出：“相对论体系存在有待验证的假定，基本原理不够完善，相互之间存在不协调；理论和时空观念都有需要改进之处”。
　　上面这些内容，郭汉英曾经在某中学讲演时给学生们讲过。下了讲台，一位中学物理老师私下表示了对讲演的不满：“照您这么说，相对论有问题，量子物理有问题，关于宇宙人类有96%不知道，学生知道了这些，以后我们的物理课还怎么教？！”
面对这样的质问，郭汉英无言可对。他说，这只能说明我们的物理教育有问题，我们对物理、对科学的认识与态度有问题。

（二）

物理学不是一个完成的逻辑体系--从温伯格的一段话谈起(《科学》杂志2004年第3期)
Physics is not a Finished Logical System-Starting with a Viewpoint of Weinberg
郭汉英　

关键词：物理 逻辑体系 哥德尔定理 佯谬 暗能量 宇宙学常数 挑战 突破

　　温伯格(S.Weinberg)在他的<引力论和宇宙论--广义相对论的原理和应用>一书的开篇,写下这样一段话:"物理学并不是一个已完成的逻辑体系.相反,它每时每刻都存在着一些观念上的巨大混乱,有些像民间史诗那样,从往昔英雄时代流传下来;而另一些则是像空想小说那样,从我们对于将来会有伟大的综合理论的向往中产生出来."为什么温伯格会这样写呢?……

作者简介：郭汉英:研究员,中国科学院理论物理研究所,北京 100080.
作者单位：郭汉英（中国科学院理论物理研究所

温伯格(S. Weinberg)在他的《引力论和宇宙论——广义相对论的原理和应用》一书的开篇，写下这样一段话：“物理学并不是一个已完成的逻辑体系。相反，它每时每刻都存在着一些观念上的巨大混乱，有些像民间史诗那样，从往昔英雄时代流传下来；而另一些则是像空想小说那样，从我们对于将来会有伟大的综合理论的向往中产生出来。”为什么温伯格会这样写呢？

物理学是基于实验和观测的科学,而任何实验和观测的构思和分析，又离不开从大量实验和观测抽象出来、和从以往的发展继承下来的基本观念和原理。基本观念和原理一旦形成和建立，就可以而且应该由此出发建立理论体系，亦即逻辑体系。因此，基本概念、原理和理论体系在物理学的发展中起着重要作用。

难道物理学从来不是，也从来没有一个完成了的逻辑体系吗？是的。不仅如此，将来也不会有。

19世纪末的三大理论体系都没有完成

17世纪牛顿建立的力学和万有引力理论是自哥白尼（N. Copernicus）、伽利略(G. Galileo)以来第一个伟大的力学和物理理论体系。在19世纪，经过拉格朗日(J. L. Lagrange)、哈密顿(W. R. Hamilton)和雅可比（C. Jacobi）等的发展而建立的分析力学，以及费马(P. de Fermat)提出的最小作用原理等，赋予了位势系统的牛顿力学以新的形式和内涵。但是，作为一个理论体系，牛顿理论并没有完成。
质量和惯性等在牛顿体系中起着核心作用，其起源却无法解决。为此，牛顿引入绝对空间和绝对时间作为支撑体系的支柱。但是，却与满足伽利略相对性原理的，没有绝对速度的牛顿力学和引力规律相矛盾。无限大的欧氏绝对空间和万有引力无法解释日落天黑这样的简单事实，也无法建立一个在引力作用下稳定的宇宙图像，这些可称为牛顿体系的夜黑-引力佯谬。
在法拉第(M. Faraday)原创工作基础上，麦克斯韦(J. C. Maxwell)建立了电磁理论，统一了电和磁的现象，预言了电磁波，描述了带电体、光和电磁波的运动，是19世纪物理理论的伟大成就。在麦克斯韦理论中出现了光速c。按照牛顿的时间和空间观念，光速c是相对于绝对空间的绝对速度。当时认为，电磁波是充满绝对空间的“以太”的波动，而地球相对于绝对空间是运动的，因此，应该能够测量出地球的“以太漂移”。然而，所有有关“以太漂移”的可靠的实验结果都是否定的。不仅如此，按照麦克斯韦理论，加速电荷应该发出辐射，然而，计算结果却出现无法处理的无限大，这与后来量子电动力学的发散具有本质联系。这些表明，麦克斯韦电磁理论作为一个理论体系对于在宏观尺度上的电磁现象并不是已经完成的；至于后来发现的微观尺度上的电磁现象，经典的麦克斯韦理论根本无法解释。
19世纪热力学和统计物理学的建立和发展是另一伟大成就。统计物理在描述和确定热平衡态物理性质方面取得了与实验相符的一系列成功。但由于统计物理依赖于个体规律，而统计规律与个体规律间的本质区别和联系、统计物理的基本原理一直不完全清楚，因此作为一个理论体系也没有完成。对统计物理有伟大贡献的玻尔兹曼(L. Boltzmann)为此甚为忧虑，后来他神秘地自杀身亡。
19世纪末曾有“两朵乌云”之说。其实，“乌云”并不仅仅指迈克耳孙-莫雷(Michelson-Morley)实验和黑体辐射，夜黑和引力佯谬早就是“乌云”，放射性的大量实验发现更是“乌云密布”，至于理论体系自身的问题就更多了。

量子理论远没有完成

1900年，普朗克大胆提出作用量子假说，解释了黑体辐射谱。20多年后，海森伯(W. K. Heisenberg)和薛定谔(E. Schr?觟dinger)等新一代天才在爱因斯坦光量子说和玻尔(N. Bohr)的原子模型基础上建立了量子力学。此后，在实验和理论的推动下，原子分子、核、固体和凝聚态物理等理论相继建立，并快速发展。
然而，关于量子力学是否完备的争论一直没有停息。爱因斯坦、薛定谔等对量子力学的建立做出过突出贡献的物理学家认为，量子力学并不完备；以玻尔和海森伯为代表的哥本哈根学派则认为是完备的。1980年代以来，由于实验技术的发展，爱因斯坦、薛定谔等在1930年代中期提出的责难量子力学的理想实验得以实现。实验结果虽都支持量子力学，但又引出量子纠缠、量子隐态传输等一系列新问题，量子测量的实质、是否与相对论矛盾等问题也重新提了出来。
费恩曼(R. P. Feynman)早就说过：“我可以放心地说，没有一个人懂得量子力学。”在晚年，他还说过：“按照量子力学的观点看待世界，我们总是会遇到许多困难。至少对我是如此。现在我已老迈昏花，不足以达到对这一理论实质的透彻理解。对此，我一直感到窘迫不安。”盖尔曼(M. Gell-Mann)也说过：“全部现代物理为量子力学所支配。这个理论华丽宏伟，却又充斥着混乱。……这个理论经受了所有的检验，没有理由认为其中存在什么缺陷。……我们知道如何在问题中运用它，但是却不得不承认一个事实，没有人能够懂得它。”
果真没有欠缺吗？事实上，薛定谔方程作为量子力学的基本方程，只能描述经典位势系统的量子行为，无论是正则量子化，还是路径积分量子化都是如此。经典与量子力学的界限在哪里？量子测量过程涉及突变等非位势系统的特征，这类系统如何量子化？如何建立量子测量理论？这些都是应该解决，而又没有解决的重大问题。
不仅量子力学本身令人“窘迫不安”，作为量子论和狭义相对论的结合的量子电动力学和量子场论更是如此。一方面，量子电动力学取得了巨大成功，可以给出与实验精确符合的微扰论计算结果，例如：关于电子反常磁矩的微扰论计算结果与实验结果可以符合到十几位有效数字；格拉肖-温伯格-萨拉姆(Glashow-Weinberg-Salam)的弱电模型在很大程度上统一了微观尺度上的电磁作用和弱作用，在相当于1000倍质子质量的能量尺度下与几乎所有实验符合；包括量子色动力学在内的标准模型对于强作用的一些性质也能给出令人满意的结果等。另一方面，与实验精确符合的微扰论计算在理论上却并不成立，微扰级数本身一定会发散。标准模型中有20几个自由参数需要实验输入，其中包括一些极重要的无量纲参数，如精细结构常数、μ介子与电子质量之比等。为了减少参数的大统一理论或超对称大统一理论，往往会导致质子衰变。可是，实验上一直没有观测到质子衰变现象，也没有观测到超对称粒子，这是为什么？超对称如何破缺？为什么有夸克禁闭和色禁闭？为什么夸克质量谱中存在极大的质量间隙？为什么会有三代夸克-轻子及其质谱？理论上作用极大的“真空”到底是什么?理论上计算的“真空”能量，与宇宙学常数观测值相应的“真空能”相比，高出几十到一百多个数量级，这又是为什么？这些问题都难以回答。
由于非相对论性或相对论性的量子规律和状态分别是伽利略或庞加莱(J. H. Poincaré)不变的，并不是广义协变的，因此加速运动与匀速运动的量子系统并不等价。至于引力场的量子化问题也一直没有解决，成了世纪难题。其实，如果引力场不能或不用量子化，就可以设计理想实验，破坏作为量子力学基础之一的不确定性原理。
凡此种种，作为一个描述微观基本规律的理论体系，非相对论性和相对论性的量子理论都没有完成。

相对论体系并没有完成

20世纪初，庞加莱把伽利略相对性原理推广到包含光速的洛伦兹变换和麦克斯韦理论；爱因斯坦提出光速不变原理。1905年建立的狭义相对论解释了“以太漂移”的零结果，发现同时性的相对性，并从新的角度导出了重要的质能关系等。现在，所有可忽略引力效应，与宇观尺度现象无关的宏观尺度上的实验和观测都与爱因斯坦、洛伦兹(H. A. Lorentz)和庞加莱的狭义相对论相符合。

为了描述引力，爱因斯坦又把牛顿引力中熟知的惯性质量等于引力质量提到等效原理的高度，并提出了时空弯曲由物质的能量-动量决定的引力场方程，建立了作为时空和引力理论的广义相对论。这个理论解释了牛顿引力所无法解释的水星近日点的进动，预言了光线偏折、光谱的引力红移等效应。
科学对于宇宙的认识也经历了巨大变革。1920年代末人们发现了河外星系的谱线红移；1940年代，在广义相对论宇宙学基础上提出了大爆炸宇宙模型，预言了微波背景辐射，解释了宇宙中轻元素的丰度等；1960年代微波背景辐射的发现证实了宇宙大爆炸理论。此后，在宇宙尺度上，牛顿绝对时空被抛弃，夜黑和引力佯谬迎刃而解。宇宙不是静止的、一成不变的，而是一个演化的整体，这是20世纪自然科学的最大成就之一。这些深刻改变着物理和哲学的时空观和宇宙观。
然而，相对论体系作为一个理论体系并没有完成。从前人继承下来的惯性和惯性运动的起源问题尽管有所发展，但并没有解决。1960年代末以来，发现广义相对论存在时空失去意义的“奇性”，宇宙起源于奇性，星系演化经过黑洞终结于奇性。黑洞不“黑”，任何有序物体掉进黑洞，都变成无序的热辐射发射出来，从而信息丢失。这不仅与物理学理论基础之一的量子力学薛定谔方程的概率流守恒矛盾，也与其他理论冲突。
温伯格的那段话与他对广义相对论和宇宙论具有代表性的观点密切相关，与爱因斯坦和通常广义相对论学者的几何观点完全不同。在该书的序言中，他写道：“这种几何观点在广义相对论和基本粒子物理之间造成人为隔阂。只要还能够指望，如爱因斯坦曾指望过的，物质最终可以用几何语言来理解，那么在描述引力理论时给黎曼(Riemann)几何以首要地位才是有意义的。但是现在，时间流逝已教导我们不能指望强作用、弱作用和电磁作用都可以用几何语言来理解。因而过分地强调几何，只能模糊引力理论与物理学其余部分之间的深刻联系。”他所采用的是基本粒子理论观点：“除非相应的经典场论服从等效原理，看来就不可能建立质量为零、自旋为2的粒子的任何洛伦兹协变的量子理论。这样，等效原理似乎就成了引力理论和基本粒子理论之间的最好的桥梁。”这些是他在1971年写下的。过了30多年，这种有代表性的从粒子物理观点解释广义相对论的尝试，在超弦理论的框架中有所进展，但是仍然远远没有完成。温伯格坚持这种观点的主要原因，是因为广义相对论和宇宙论中的物理量（如质量和自旋等）几乎全都依赖于狭义相对论。然而，假定的基础却有疑义。其实，只要考虑到宇观效应，狭义相对性原理就会被破坏，这是因为，所有实验室和天文台（包括用于科学探索的人造卫星）相对于宇宙尺度都是局部的，对于所有可以忽略引力，与宇观效应（如星系红移、微波背景辐射等）无关的实验和观测结果都与狭义相对性原理一致：没有优越的惯性参考系，时间和空间具有平移不变性，均匀各向同性等物理规律在具有十个参数的庞加莱群的变换下不变。然而，一旦进行天文观测，或者实验室的设备恰恰与微波背景辐射可以发生作用，那么，实验室观测者就会发现：相对于遥远的星系和微波背景辐射，实验室具有优越速度，时间平移不变性不再存在，所观测到的宇宙具有演化，时间具有箭头；以微波背景辐射为代表的三维宇宙空间大体上是均匀各向同性的。于是，局部实验和宇观效应的观测之间明显存在矛盾。在什么意义下可以把仅仅经过局部实验验证的物理量用到宇观效应观测结果的理论分析呢？如果温伯格的观点可以贯彻到底，就可以运用狭义相对论的观点来说明这一切。然而，奇性存在否定了这一企图；宇宙学常数的出现使渐近平坦时空区域不复存在。因此，仍以庞加莱不变性为依据，对宇观观测数据进行分析，特别对有关宇宙学常数数据的分析就存在疑义。
在一定意义上，微波背景辐射可以看成是“光子以太”。地球上实验室观测到的微波背景辐射应该扣除地球相对于微波背景辐射的运动，亦即相对于这类“光子以太”的漂移。于是，狭义相对性原理和宇宙学原理的佯谬可表述为：如果微波背景辐射在19世纪末就发现，在地球上就可测出相对于微波背景辐射的“光子以太”的漂移。那么，相对论体系会怎么办呢？

关于“包罗万象的理论”的争论

这里，应该提及“包罗万象的理论”（theory of everything，TOE）。1970年代初提出的弦理论源于强子物理。后来发现，其中包含在强作用中不存在的质量为零、自旋为2的粒子。如果把这个粒子解释为引力子，这类理论就有可能把已知的夸克-轻子及其四种基本相互作用统一起来，同时解决量子引力问题。1980年代和1990年代中期，弦理论有重大进展。现在知道，超弦有五类，它们有可能通过M理论相互统一起来。于是，有人认为，这是TOE；也有人认为，这个理论一旦完成，理论物理就基本终结了。这种说法自然受到非议。宇宙学常数的出现等也对此带来极大困难。
如果物理学从来就不是，也没有一个完成的逻辑体系，那么，当然不会存在这种TOE。这是因为，任何物理理论都需要从一些基本概念和基本原理出发，例如，基本物理量、基本自由度、基本的对称性、基本的动力学等。这些概念和原理是从大量实验、观测事实中抽象出来或从以往的理论体系继承下来的。如果这些观念和原理之间是自恰的，余下的问题就是通过逻辑推理建立理论，把结果与实验和观测作进一步比较。何况往往还需要工作假定呢？
不妨类比数理逻辑的哥德尔定理。哥德尔(K. G?觟del)指出，一个足够大的公理系统中必有不能证明也不能反证的命题；或者，从有限多公理出发建立的数学是不自恰和不完备的。不过，该理论不能判断一个具体命题是否为不能证明也不能反证的命题，也不能提供具体例证。从有限多个基本概念和基本原理出发建立的物理理论的逻辑体系也大体如此。这或许是为什么至今没有，也不会有逻辑上完成的物理体系的一个原因。戴森(F. J. Dyson)早就用哥德尔定理与物理学中的理论发展相比较，他甚至以此说明，物理学理论的发展是无止境的。霍金(S. Hawking)曾在1980年代初以为，如果超引力理论能够完成，就有可能导致理论物理学的终结。近来有人也用哥德尔定理对试图统一不同类型的超弦和M理论做出这种类比。
当然，世界是统一的，世界的统一性在于物质性。相对统一的理论总是可以建立的。只要得到实验和观测的一定证实，该理论就反映了世界的统一性在于物质性这一绝对性。在当前的实验和观测水平下，有没有可能统一夸克-轻子和它们之间的所有相互作用呢？这是一种在具体前提下、具体范围内的统一，这不是没有可能。然而，即使建立了这样的理论，也不是什么TOE，更不是理论物理的终结，因为它虽然有可能解决上述许多问题，但仍然是不完备、甚至不自恰的，至少它的前提和基本原理无法得到解释，因而一定还有需要探索的更基本、更深刻的问题。何况，这种统一即使实现，也是在个体规律意义上的统一。
到1960年代，人们才知道，统计规律和个体规律有着本质不同。其实复杂性和随机性处处可见。安德森（P. W. Anderson）说得好：“多是不同的。”这是相当普遍的规律。仅知一、二，远远不够：对“零”和“极多”都无法说明，何况其间联系呢？霍金在用哥德尔定理论证M理论即使建立也不是TOE时，却认为麦克斯韦方程和狄拉克方程可说明所有化学和生物现象，恰恰忽略了这一点。
“道可道非常道，名可名非常名。”不妨这样借用老子的话：如果把最终的TOE比喻为常道或常名，那么，能够表述的道或名就不是常道或常名了。我们和自然界都存在于普遍联系之中。对于任何现象、事物和规律的认识，不可能没有简化、条件和前提，因而，任何对于现象、事物的规律性的认识，都是有条件的、具体的和相对的，其中包含着普遍性和绝对性。不过，更重要的是要具体分析相对在哪里？普遍性是哪些？

物理学正面临新的挑战、酝酿新的突破

20世纪物理学不仅取得了伟大进展，也促进了有关技术的飞速发展。但是，作为描述自然界和宇宙基本规律的物理理论，却存在包括上面提及的许多重大问题：一方面，对一些基本的实验和观测事实，理论上无法解释；另一方面，各种基本理论本身作为逻辑体系都没有完成，甚至存在内在的不协调。2000年弦理论会议上，弦理论家提出了跨世纪的十大理论问题：
（1） 表征物理宇宙的所有（可测量的）无量纲参数是否原则上都是可计算的，或其中某些仅仅是由历史或量子力学等偶然因素所确定，因而是不可计算的？
（2） 量子引力如何有助于解释宇宙起源问题？
（3） 什么是质子的寿命？理论上如何解释？
（4） 自然是超对称的吗？若是，超对称怎样破缺？
（5） 为什么宇宙看来只有一维时间和三维空间？
（6） 为何宇宙学常数会有其值？是零吗？是常数吗?
（7） 何为M理论基本自由度？果真描述自然吗？
（8） 如何解决黑洞的信息佯谬？
（9） 引力尺度和基本粒子的典型质量尺度之间的差异如此巨大，什么物理可予以解释？
（10） 如何定量解释量子色动力学中的夸克胶子的禁闭，以及质量间隙的存在？
这些问题只是反映了弦理论家当时的看法。前面提到的一些重要问题并没有完全列举，甚至没有涉及。不过，这已经反映出现有的物理理论还远远没有完成。
1990年代后期以来，有关暗物质、暗能量和宇宙学常数的观测结果对以量子论和相对论为基础的物理学的整个理论框架提出了新的挑战：在广义相对论和宇宙学原理的分析框架内，观测数据表明，通常的物质只占区区百分之几，未知的暗物质约占百分之二十多；与通常能量所完全不同的“暗能量”约占百分之七十；宇宙时空不是渐近平坦的，而是渐近常曲率；严格说来，在涉及宇宙尺度的效应上，作为物理量定义基础的狭义相对论失去了宇观观测的基础；由量子理论得到的宇宙学常数值比观测值大了几十到一百多个数量级。如何解释？根本问题出在哪里？对此，当然会是“仁者见仁，智者见智”的。
爱因斯坦指出：“物理学构成一种处在不断进化过程中的思想逻辑体系。”不错，物理学理论作为思想逻辑体系并没有完成，也不完备，而总是处在不断追求完备的过程之中。然而仅仅指出并承认这一事实并不够，更加重要的是应该分析：当代物理学会如何进化、向哪里进化？我们应该如何追求、向哪里追求？
类比哥德尔定理之于数学，物理理论在不断发展着，更要不断直面实验和观测的检验和挑战。特别是现在，有一点是明确的：物理学的基础正在面临实验和观测的前所未有的尖锐挑战。科学发展的历史预示着，一场新的变革正在酝酿，并且迟早会到来。

（三）

郭汉英：相对性原理和宇宙学的不协调(节选自狭义相对论的基本原理及其宇宙学意义－相对论百年礼记《科学》2005年4期）

狭义相对论的基本原理及其宇宙学意义－相对论百年礼记

郭汉英

　　相对性原理和宇宙学的不协调

在相对论体系中，相对性原理和宇宙学的不协调就非常突出。
相对性原理要求，与引力无关的物理规律在惯性系之间的庞加莱群的变换下不变，后者有10个参数：4个时空平移、3个由速度确定的推进、3个空间转动。对于这些惯性系，没有自身的优越速度、时间没有方向性。只要不管引力和宇宙学效应，闵氏时空和庞加莱不变性是相对论物理和实验分析的基础，所有实验都与理论符合。时空测量、同时性定义以及一些基本的物理量的定义全都基于相对论和庞加莱不变性。在相对论性经典和量子力学中，能量、动量和质量的定义和守恒，以及质能公式等，都与时空平移密切相关。在相对论性经典和量子场论中，相应的物理量和公式同样如此。不同场的区分，在于庞加莱群的不同不可约表示，这些表示以庞加莱群的两个不变算子的本征值来表征，分别是质量平方和质量自旋的平方。第一个算子由平移群的生成元给出，第二个算子依赖于平移群和齐次洛伦兹群的生成元，它们共同构成庞加莱代数。
然而，如果要进行宇宙学观测或进行与宇宙背景有相互作用的实验，或恰恰要测量这些相互作用的效应，就会出现问题。河外星系红移表明，具有优越速度、暗示宇宙在膨胀；宇宙膨胀又给出时间箭头。微波背景辐射大体上可以代表宇宙背景空间的性质，不过要扣除实验室相对于微波背景辐射的“漂移”。对于这类实验和观测结果表明：适当扣除我们实验室的“漂移速度”、忽略原初扰动，在一定近似下，宇宙背景空间是均匀各向同性的、具有6个参数的变换群；宇宙背景时空的度量是弗里德曼?罗伯孙?沃克度量，依赖于标度因子和一个标记三维宇宙空间为开放的伪球面、欧氏空间还是闭合球面的参数A=?1，0，1，对应的对称性分别是转动群SO(3，1)，欧几里得群E(3)和转动群SO(4)；标度因子仅依赖于宇宙时和k，其形式由宇宙中物质分布的能动张量通过爱氏场方程决定。在这种背景时空里，由于存在优越速度和时间方向，相对性原理不再成立；按照庞加莱群的不可约表示对于物质场的区分和有关物理量的定义失去严格的意义。
英国著名学者邦迪早在1962年《物理学和宇宙学》的演说中明确提出，相对性原理要求惯性系之间没有优越的速度，河外星系红移等却具有优越速度；满足相对性原理的基本物理规律没有时间方向，宇宙演化本身就给出时间方向o“在宇宙学和通常的物理学之间，看来存在着明显的冲突。”微波背景辐射发现后，问题更加突出。1971年，爱氏的学生和追随者伯格曼在《宇宙学作为科学》一文中认为，“宇宙环境对于局部实验的影响导致相对性原理的等效破坏。”
但是，在相对论体系中分析宇观效应的数据，仍然要用以相对性原理和庞加莱不变性为依据的基本物理量和有关物理规律。这就出现问题：在什么意义下可以利用闵氏时空和庞加莱不变性下的物理量和物理规律，来分析有关宇宙效应的数据?近似程度如何?在相对论体系中二者如何协调?
通常认为，这些不协调是对于两类不同的物理问题所引起的，不是本质的冲突。就像其他物理理论一样，往往可以用来研究具有不同对称性的物理系统。然而，狭义相对论与宇宙学的关系却并非如此：两者都是关于时空的理论，宇宙学的基础广义相对论，是以狭义相对论为基础建立起来的；而相对性原理却又明显与宇宙学观测不相容。事实上，?一切实验和观测都是在我们的宇宙之中进行的，如果找不到我们的宇宙所近似满足的宁宙学原理和相对性原理之间的关系，在宇观尺度上，由相对论以及庞加莱不变性引申出来的观念和理沦就会失去严格的基础。何况，物理学的一个重要趋势，是将宇观尺度与微观尺度的物理联系起来，由相同的物理规律来描述。这就必须解决相对性原理与宇宙学间的不协调。然而，在相对论体系中却无法做到。
其实，这种不协调甚至可以追溯到伽利略。在划时代名著《关于托勒玫和哥白尼两大世界体系的对话》 (1632年)中，伽利略论述了在平静水面上静止或平稳匀速航行的大船中，人们通过在船舱内的任何实验和观测，都无法发现大船是在静止还是在航行。他以此来反驳托勒玫学派对于哥白尼学说的非难：如果地球在绕着太阳转动，为什么我们丝毫没有觉察?这就是后来称之为伽利略相对性原理的著名论述。但是，伽利略要求“把你和你的朋友关在大船甲板下的主舱里面”。换句话说，实验者不能向外观望。显然，如果向外观望，就可以从大船与岸边的相对运动，也可以通过天文观测，来判断大船的运动状态。如果存在“以太漂移”，即使在封闭的船舱内，也能够判断大船的运动。
以伽利略相对性原理为基础的牛顿体系包含着这些不协调：牛顿体系无法建立自洽的宇宙图景，无法解决这些不协调。
这种不协调却值得反思。反映基本自然规律的基本原理之间应该是相互协调的。因此，应该存在排除这种不协调的空间?时间和宇宙理论。这样一来，宇宙学原理就应该成为作为相对性原理基础的惯性运动的保障或者起源；同时，就会在满足相对性原理的惯性系中“挑选”出一类相对“优越的”惯性系。于是，消除这两个原理的不协调，有可能在给出惯性运动的宇宙学起源的同时，回到存在一类“优越的”惯性系。当然，这并不意味着回到牛顿，因为牛顿体系根本不能建立自洽的宇宙图景。
其实，在马赫对牛顿绝对空间的批判中就隐含着这一点。马赫认为，质点不是相对于绝对空间，而是相对于整个宇宙作惯性运动：“如果我们说，物体保持其在空间的方向和速度不改变，我们的这一断言只不过是相对于整个宇宙的简述。”“我们怎么能够确定这样的参照系?只能参照宇宙中的其他物体o”(《力学史评》)这就隐含着要求：相对性原理与宇宙图景之间应该相互协调n

是否存在这种理论呢?应该存在!常曲率时空相对性原理及其宇宙学意义