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49狭义相对论简介49（第1页）

爱因斯坦49狭义相对论简介

前面的章节《爱因斯坦43-48》是严格按照爱因斯坦提出狭义相对论的论文《论动体的电动力学》的思路来阐述的，基本还原了爱因斯坦论文的本意，可能有些晦涩难懂，下面花几个章节的篇幅用现代的观点通俗的阐述下有关狭义相对论的各种问题。

1、狭义相对论理论动机

早在1632年，伽利略就通过实验指出：相对于惯性系做匀速直线运动的任一惯性系，力学规律是相同的。这一观点在当时被广泛接受，被称为伽利略相对性原理。20世纪以前，物理学家的时空观是绝对时空观，反映不同惯性系之间时空坐标变换关系的公式是伽利略变换。伽利略相对性原理的数学表述自然是：在伽利略变换下，力学定律的形式不变。

对物理学家来说，伽利略相对性原理是不容质疑的，并且它是一个“管定律的定律”。凡是不满足伽利略相对性原理的力学定律都是需要修改的。直到19世纪，电磁学迅速发展，电磁学规律可简单地概括为麦克斯韦方程组。出乎意料地是：麦克斯韦方程组在伽利略变换下不是协变的。

对当时的部分物理学家而言，麦克斯韦方程组违反了伽利略相对性原理，最明显的道路是：修改麦克斯韦方程组以得到一个满足伽利略协变性的电磁学定律。对另一部分物理学家来说，麦克斯韦方程组同样是被很多实验证实的电磁学理论，也具有不可动摇的地位。一种方法是：牺牲伽利略相对性原理的普遍性，承认伽利略相对性原理只适用于力学规律而不能被推广到电磁学的物理范畴；坚持麦克斯韦方程组是正确的，只不过麦克斯韦方程组中的光速c是电磁波相对一个特殊惯性系（当时称为“以太”）的传播速度，麦克斯韦方程组也只在这一参考系下成立。因为“以太”是一个未经证实的猜测，这部分物理学家的首要任务是证实以太的存在，并证明电磁波相对以太参考系的传播速度为c。但是，对此进行的霍克实验、菲佐实验和迈克尔逊－莫雷实验对vc的一阶效应和二阶效应的实验结果之间却相互矛盾，使物理学家难以自圆其说。

在那个时代，只有爱因斯坦另辟蹊径。首先，迈克尔逊－莫雷实验的零结果使他坚信：真空中的光速与观测者的速度无关，恒为c（提出光速不变原理）。这意味着麦克斯韦方程组在任何惯性参考系中都成立，无需修改；结合伽利略相对性原理，他猜测：任何物理规律（不管是电磁学规律还是力学规律）在惯性系下都是相同的（提出狭义相对性原理）。现在，麦克斯韦方程组不具有伽利略变换的协变性，这说明伽利略变换没有正确地反映惯性系之间的时空坐标变换关系。因此，需要修改的是绝对时空观和对应的伽利略变换。

阿尔伯特·爱因斯坦在分析了以太假说的矛盾后，于1905年在《论动体的电动力学》中提出了两条基本原理：狭义相对性原理和光速不变原理，并据此建立了狭义相对论。

区别于牛顿的绝对时空观，狭义相对论将时间和空间与观测者视为一个不可分割的整体。相对杆和钟分别静止和匀速运动的观测者，在测量同一根杆的长度以及比较同一个钟的快慢时会得出不同的结论，这一现象被称为“尺缩”和“钟慢”效应，它们是狭义相对论的必然后果。

狭义相对论的核心不是相对性，而是保证物理规律的协变性。狭义相对论的数学表述是洛伦兹变换，几何语言是时空图。迄今为止，狭义相对论已经得到许多高精度实验的支持。

2、理论内容

2.1基本原理

狭义相对性原理：任何真实的物理规律在所有惯性系中应形式不变。

光速不变原理：任意一个惯性系中的观测者所测得的真空中的光速恒为c。

2.2时空观

由两条基本原理可严格地导出惯性系之间时空坐标变换的方程组，即洛伦兹变换。与伽利略变换不同：

（1）相对地面静止的S惯性系观测到的同时事件在相对地面匀速运动的S’系看来是不同时的，即同时的相对性。

（2）同一根尺子，相对尺匀速运动的观测者比相对尺静止的观测者测量的杆长要短，即尺缩效应。

（3）同一个钟，相对其匀速运动的观测者发现这个钟比相对其静止的情况下走得要慢，即钟慢效应。

（4）空间间隔和时间间隔是相对的（在惯性系变换下是改变的），但时空间隔（时空间隔△s=√|-（c△t）2+（△x）2+（△y）2+（△z）2|，是四维空间中的不变量，其地位大致相当于三维空间中的空间间隔。）在洛伦兹变换下是不变的（光速不变原理的直接要求）。

（5）S惯性系观测到的先后发生的两个事件在相对其匀速运动的S′系看来这两个事件的先后顺序可能是颠倒的。

（6）如果假定互为因果关系的两个事件在任何惯性系下都不可颠倒因果顺序，结合狭义相对论可知:任何信号的传播速度都不可能超过真空中的光速c。

在牛顿的绝对时空观中，时间与空间是绝对的，与观测者的运动状态无关，并且时间与空间是相互独立的。现在，狭义相对论否定了这个观点。时间与空间是相对的，在惯性系变换下，它们都可能改变；时间与空间是不可分割的整体，它们一起构成的时空间隔在惯性系变换下是不变的。

2.3对理论物理学的影响

在牛顿力学统治的时代，物理学家的主要研究对象是宏观的力学系统，牛顿力学定律是在这一宏观尺度上经验总结和实验推断的结果。从电磁学现象的发现到狭义相对论的建立，研究对象的尺度发生改变，问题实际上涉及到高速运动的微观粒子。狭义相对论就是在这里发挥巨大威力的。比如，德布罗意利用相对论能量动量关系提出了物质波假设和德布罗意关系，托马斯考虑了相对论运动学效应后才给出正确的自旋轨道耦合相互作用。

在狭义相对论中，信号传播的极限速度是光速，相互作用只能是定域的，这一理念是爱因斯坦早期反对量子力学完备性的强烈理由。爱因斯坦的质疑推动了隐变量理论和贝尔不等式的检验，最终物理学家发现了量子力学的固有非定域特征。物理学家研究微观世界，离不开量子场论，而量子场论是建立在量子力学和狭义相对论的基础上的。

除了启发和指导新理论，狭义相对论对物理学家思考问题的方式产生了深远的影响。洛伦兹群反映连续的时空对称性，它要求物理的拉氏量应具有时空转动和空间旋转不变性，这启发物理学家去发现系统潜在的自由度和对称性，如宇称、同位旋、规范对称性等。

2.4狭义相对论的困难

在创立狭义相对论以后，爱因斯坦认识到该理论存在两个严重的困难：

a.狭义相对论在众多的参考系中，承认了惯性参考系相比其他参考系具有优越性，物理学规律在所有惯性系中都是平权的；然而，惯性系本身却无法被定义。

b.爱因斯坦无法将万有引力定律纳入狭义相对论的框架，万有引力定律无法被修改为洛伦兹协变的形式。

通过对这两个困难的思考，爱因斯坦最终创立了广义相对论。

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