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狹義相對論(Special Relativity)是主要由愛因斯坦創立的時空理論，是對牛頓時空觀的改造。 伽利略變換與電磁學理論的不自洽 到19世紀末，以麥克斯韋方程組為核心的經典電磁理論的正確性已被大量實驗所證實，但麥克斯韋方程組在經典力學的伽利略變換下不具有協變性。而經典力學中的相對性原理則要求一切物理規律在伽利略變換下都具有協變性。 邁克爾孫尋找以太的實驗 為解決這一矛盾，物理學家提出了“以太假說”，即放棄相對性原理，認為麥克斯韋方程組只對一個絕對參考系（以太）成立。根據這一假說，由麥克斯韋方程組計算得到的真空光速是相對于絕對參考系（以太）的速度；在相對于“以太”運動的參考系中，光速具有不同的數值。 實驗的結果——零結果 但斐索實驗和邁克耳遜－莫雷實驗表明光速與參考系的運動無關。 洛侖茲坐標變換 洛侖茲變換是描述狹義相對論空間中各參考系間關系的變換。它最早由洛侖茲從以太說推出，用以解決經典力學與經典電磁學間的矛盾（即邁克爾孫-莫雷實驗的零結果）。后被愛因斯坦用于狹義相對論。 1632年，伽利略出版了他的名著《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》。書中那位地動派的“薩爾維阿蒂”對上述問題給了一個徹底的回答。他說：“把你和一些朋友關在一條大船甲板下的主艙里，讓你們帶著幾只蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲，艙內放一只大水碗，其中有幾條魚。然后，掛上一個水瓶，讓水一滴一滴地滴到下面的一個寬口罐里。船魚向各個方向隨便游動，水滴滴進下面的罐口，你把任何東西扔給你的朋友時，只要距離相等，向這一方向不必比另一方向用更多的力。你雙腳齊跳，無論向哪個方向跳 過的距離都相等。當你仔細地觀察這些事情之后，再使船以任何速度前進，只要運動是勻速，也不忽左忽右地擺動，你將發現，所有上述現象絲毫沒有變化。你也無法從其中任何一個現象來確定，船是在運動還是停著不動。即使船運動得相當快，你跳向船尾也不會比跳向船頭來得遠。雖然你跳到空中時，腳下的船底板向著你跳的相反方向移動。你把不論什么東西扔給你的同伴時，不論他是在船頭還是在船尾，只要你自己站在對面，你也并不需要用更多的力。水滴將象先前一樣，滴進下面的罐子，一滴也不會滴向船尾。雖然水滴在空中時，船已行駛了許多柞(為大指尖到小指尖伸開之長，通常為九英寸，是古代的一種長度單位)。魚在水中游向水碗前部所用的力并不比游向水碗后部來得大；它們一樣悠閑地游向放在水碗邊緣任何地方的食餌。最后，蝴蝶和蒼蠅繼續隨便地到處飛行，它們也決不會向船尾集中，并不因為它們可能長時間留在空中，脫離開了船的運動，為趕上船的運動而顯出累的樣子。” 薩爾維阿蒂的大船道出一條極為重要的真理，即：從船中發生的任何一種現象，你是無法判斷船究竟是在運動還是停著不動。現在稱這個論斷為伽利略相對性原理。 用現代的語言來說，薩爾維阿蒂的大船就是一種所謂慣性參考系。就是說，以不同的勻速運動著而又不忽左忽右擺動的船都是慣性參考系。在一個慣性系中能看到的種種現象，在另一個慣性參考系中必定也能無任何差別地看到。亦即，所有慣性參考系都是平權的、等價的。我們不可能判斷哪個慣性參考系是處于絕對靜止狀態，哪一個又是絕對運動的。 伽利略相對性原理不僅從根本上否定了地靜派對地動說的非難，而且也否定了絕對空間觀念（至少在慣性運動范圍內）。所以，在從經典力學到相對論的過渡中，許多經典力學的觀念都要加以改變，唯獨伽利略相對性原理卻不僅不需要加以任何修正，而且成了狹義相對論的兩條基本原理之一。
狹義相對論的兩條原理 1905年，愛因斯坦發表了狹義相對論的奠基性論文《論運動物體的電動力學》。關于狹義相對論的基本原理，他寫道： “下面的考慮是以相對性原理和光速不變原理為依據的，這兩條原理我們規定如下： 1．物理體系的狀態據以變化的定律，同描述這些狀態變化時所參照的坐標系究竟是用兩個在互相勻速移動著的坐標系中的哪一個并無關系。 2．任何光線在“靜止的”坐標系中都是以確定的速度c運動著，不管這道光線是由靜止的還是運動的物體發射出來的。” 其中第一條就是性原理，第二條是光速不變性。整個狹義相對論就建筑在這兩條基本原理上。 愛因斯坦的哲學觀念是,自然界應當是和諧而簡單的。的確，他的理論常有一種引人注目的特色：出于簡單而歸于深奧。狹義相對論就是具有這種特色的一個體系。狹義相對論的兩條基本原理似乎是并不難接受的“簡單事實”，然而它們的推論卻根本地改變了牛頓以來物理學的根基。 后面我們將開始這種推論。 愛因斯坦狹義相對論 相對論是20世紀物理學史上最重大的成就之一，它包括狹義相對論和廣義相對論兩個部分，狹義相對論變革了從牛頓以來形成的時空概念，提示了時間與空間的統一性和相對性，建立了新的時空觀。廣義相對論把相對原理推廣到非慣性參照系和彎曲空間，從而建立了新的引力理論。在相對論的建立過程中，愛因斯坦起了主要的作用。 愛因斯坦是美籍德國物理學家。1914年任德國威廉皇帝物理研究所所長和普魯士科學院院士，1933年因遭納粹政權迫害遷往美國，任普林斯頓高等研究院主任。1905睥，在他26歲時，法文科學雜志《物理年鑒》刊登了他的一篇論文《論運動物體的電動力學》，這篇論文是關于相對論的第一篇論文，它相當全面地論述了狹義相對論，解決了從19世紀中期開始，許多物理學家都未能解決的有關電動力學以及力學和電動力學結合的問題。 提起狹義相對論，很多人馬上就想到鐘表慢走和尺子縮短現象。許多科學幻想作品用它作題材，描寫一個人坐火箭遨游太空回來以后，發現自己還很年輕，而孫子已經變成了老頭。其實，鐘表慢走和尺子縮短只是狹義相對論的幾個結論之一，它是指物體高速運動的時候，運動物體上的時鐘變慢了，尺子變短了。鐘表慢走和尺子縮短現象就是時間和空間隨物質運動而變化的結果。狹義相對論還有一個質量隨運動速度而增加的結論。實驗中發現，高速運動的電子的質量比靜止的電子的質量大。 狹義相對論最重要的結論是使質量守恒失去了獨立性。它和能量守恒原理融合在一起，質量和能量可以互相轉化。如果物質質量是M，光速是C，它所含有的能量是E，那么E=MC 2。這個公式只說明質量是M的物體所蘊藏的全部能量，并不等于都可以釋放出來，在核反應中消失的質量就按這個公式轉化成能量釋放出來。按這個公式，1克質量相當于9＊10 3焦耳的能量。這個質能轉化和守恒原理就是利用原子能的理論基礎。 大狹義相對論中，雖然出現了用牛頓力學觀點完全不能理解的結論：空間和時間隨物質運動而變化，質量隨運動而變化，質量和能量的相互轉化，但是狹義相對論并不是完全和牛頓力學割裂的，當運動速度遠低于光速的時候，狹義相對論的結論和牛頓力學就不會有什么區別。 幾十年來的歷史發展證明，狹義相對論大大推動了科學進程，成為現代物理學的基本理論之一。 愛因斯坦于1922年12月有4日，在日本京都大學作的題為《我是怎樣創立相對論的？》的演講中，說明了他關于相對論想法的產生和發展過程。他說：“關于我是怎樣建立相對論概念這個問題，不太好講。我的思想曾受到那么多神秘而復雜的事物的啟發，每種思想的影響，在生活幸福論概念的發展過程中的不同階段都不一樣……我第次產生發展相對論的念頭是在17年前，我說不準這個想法來自何處，但是我肯定，它包含在運動物體光學性質問題中，光通過以大海洋傳播，地球在以太中運動，換句話說，即以太陽對地球運動。我試圖在物理文獻中尋找以太流動的明顯的實驗證據，藍天是沒有成功。隨后，我相親自證明以太相對地球的運動，或者說證明地球的運動。當我首次想到這個問題的時候，我不懷疑以太的存在或者地球通過以太的運動。”于是，他設想了一個使用兩個熱電偶進行的實驗：設置一些反光鏡，以使從單個光源發出的光在兩個不同的方向被反射，一束光平行于地球的運動方向且同向，另一束光逆向而行。如果想象在兩個反射光束間的能量差的話，就能用兩個熱電偶測出產生的熱量差。雖然這個實驗的想法與邁克爾遜實驗非常相似，但是他沒有得出結果。 愛因斯坦說：他最初考慮這個問題時，正是學生時代，當時他已經知道了邁克爾遜實驗的奇妙結果，他很快就得出結論：如果相信邁克爾遜的零結果，那么關于地球相對以太運動的想法就是錯誤的。他說道：“這是引導我走向狹義相對論的第一條途徑。自那以后，我開始相信，雖然地球圍繞太陽轉動，但是，地球運動不可能通過任何光學實驗探測太陽轉動，但是，地球的運動不可能通過任何光學實驗探測出來。” 愛因斯坦有機會讀了洛倫茲在1895年發表的論文，他討論并完滿解決了u/c的高次項（u為運動物體的速度，c為光速）。然后愛因斯坦試圖假定洛倫茲電子方程在真空參照系中有效，也應該在運動物體的參照系中有效，去講座菲索實驗。在那時，愛因斯坦堅信，麥克斯韋－洛倫茲的電動力學方程是正確的。進而這些議程在運動物體參照系中有效的假設導致了光速不變的概念。然而這與經典和學中速度相加原理相違背。 為什么這兩個概念互相矛盾。愛因斯坦為了解釋它，花了差不多一年的時間試圖去修改洛倫茲理論。一個偶然的機會。他在一個朋友的幫助下解決了這一問題。愛因斯坦去問他并交談討論了這個困難問題的各個方面，突然愛因斯坦找到了解決所有的困難的辦法。他說：“我在五周時間里完成了狹義相對論原理。” 愛因斯坦的理論否定了以太概念，肯定了電磁場是一種獨立的、物質存在的特殊形式，并對空間、時間的概念進行了深刻的分析，從而建立了新的時空關系。他1905年的論文被世界公認為第一篇關于相對論的論文，他則是第一位真正的相對論物理學家。 |
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