狹義相對論(Special Relativity)是主要由愛因斯坦創(chuàng)立的時(shí)空理論，是對牛頓時(shí)空觀的改造。

伽利略變換與電磁學(xué)理論的不自洽

到19世紀(jì)末，以麥克斯韋方程組為核心的經(jīng)典電磁理論的正確性已被大量實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，但麥克斯韋方程組在經(jīng)典力學(xué)的伽利略變換下不具有協(xié)變性。而經(jīng)典力學(xué)中的相對性原理則要求一切物理規(guī)律在伽利略變換下都具有協(xié)變性。

邁克爾孫尋找以太的實(shí)驗(yàn)

為解決這一矛盾，物理學(xué)家提出了“以太假說”，即放棄相對性原理，認(rèn)為麥克斯韋方程組只對一個(gè)絕對參考系（以太）成立。根據(jù)這一假說，由麥克斯韋方程組計(jì)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(yùn)動(dòng)的參考系中，光速具有不同的數(shù)值。

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果——零結(jié)果

但斐索實(shí)驗(yàn)和邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)表明光速與參考系的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。

洛侖茲坐標(biāo)變換

洛侖茲變換是描述狹義相對論空間中各參考系間關(guān)系的變換。它最早由洛侖茲從以太說推出，用以解決經(jīng)典力學(xué)與經(jīng)典電磁學(xué)間的矛盾（即邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)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(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》。書中那位地動(dòng)派的“薩爾維阿蒂”對上述問題給了一個(gè)徹底的回答。他說：“把你和一些朋友關(guān)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(nèi)放一只大水碗，其中有幾條魚。然后，掛上一個(gè)水瓶，讓水一滴一滴地滴到下面的一個(gè)寬口罐里。船魚向各個(gè)方向隨便游動(dòng)，水滴滴進(jìn)下面的罐口，你把任何東西扔給你的朋友時(shí)，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(gè)方向跳 過的距離都相等。當(dāng)你仔細(xì)地觀察這些事情之后，再使船以任何速度前進(jìn)，只要運(yùn)動(dòng)是勻速，也不忽左忽右地?cái)[動(dòng)，你將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象絲毫沒有變化。你也無法從其中任何一個(gè)現(xiàn)象來確定，船是在運(yùn)動(dòng)還是停著不動(dòng)。即使船運(yùn)動(dòng)得相當(dāng)快，你跳向船尾也不會(huì)比跳向船頭來得遠(yuǎn)。雖然你跳到空中時(shí)，腳下的船底板向著你跳的相反方向移動(dòng)。你把不論什么東西扔給你的同伴時(shí)，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(jìn)下面的罐子，一滴也不會(huì)滴向船尾。雖然水滴在空中時(shí)，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(xù)隨便地到處飛行，它們也決不會(huì)向船尾集中，并不因?yàn)樗鼈兛赡荛L時(shí)間留在空中，脫離開了船的運(yùn)動(dòng)，為趕上船的運(yùn)動(dòng)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(fā)生的任何一種現(xiàn)象，你是無法判斷船究竟是在運(yùn)動(dòng)還是停著不動(dòng)?，F(xiàn)在稱這個(gè)論斷為伽利略相對性原理。

　　用現(xiàn)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(yùn)動(dòng)著而又不忽左忽右擺動(dòng)的船都是慣性參考系。在一個(gè)慣性系中能看到的種種現(xiàn)象，在另一個(gè)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(quán)的、等價(jià)的。我們不可能判斷哪個(gè)慣性參考系是處于絕對靜止?fàn)顟B(tài)，哪一個(gè)又是絕對運(yùn)動(dòng)的。

　　伽利略相對性原理不僅從根本上否定了地靜派對地動(dòng)說的非難，而且也否定了絕對空間觀念（至少在慣性運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)）。所以，在從經(jīng)典力學(xué)到相對論的過渡中，許多經(jīng)典力學(xué)的觀念都要加以改變，唯獨(dú)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(fā)表了狹義相對論的奠基性論文《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》。關(guān)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(jù)的，這兩條原理我們規(guī)定如下：

　　1．物理體系的狀態(tài)據(jù)以變化的定律，同描述這些狀態(tài)變化時(shí)所參照的坐標(biāo)系究竟是用兩個(gè)在互相勻速移動(dòng)著的坐標(biāo)系中的哪一個(gè)并無關(guān)系。

　　2．任何光線在“靜止的”坐標(biāo)系中都是以確定的速度c運(yùn)動(dòng)著，不管這道光線是由靜止的還是運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)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(gè)狹義相對論就建筑在這兩條基本原理上。

　　愛因斯坦的哲學(xué)觀念是,自然界應(yīng)當(dāng)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?yuàn)W。狹義相對論就是具有這種特色的一個(gè)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(shí)”，然而它們的推論卻根本地改變了牛頓以來物理學(xué)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(jì)物理學(xué)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(gè)部分，狹義相對論變革了從牛頓以來形成的時(shí)空概念，提示了時(shí)間與空間的統(tǒng)一性和相對性，建立了新的時(shí)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(xué)家。1914年任德國威廉皇帝物理研究所所長和普魯士科學(xué)院院士，1933年因遭納粹政權(quán)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(shí)，法文科學(xué)雜志《物理年鑒》刊登了他的一篇論文《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》，這篇論文是關(guān)于相對論的第一篇論文，它相當(dāng)全面地論述了狹義相對論，解決了從19世紀(jì)中期開始，許多物理學(xué)家都未能解決的有關(guān)電動(dòng)力學(xué)以及力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)結(jié)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(xiàn)象。許多科學(xué)幻想作品用它作題材，描寫一個(gè)人坐火箭遨游太空回來以后，發(fā)現(xiàn)自己還很年輕，而孫子已經(jīng)變成了老頭。其實(shí)，鐘表慢走和尺子縮短只是狹義相對論的幾個(gè)結(jié)論之一，它是指物體高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)物體上的時(shí)鐘變慢了，尺子變短了。鐘表慢走和尺子縮短現(xiàn)象就是時(shí)間和空間隨物質(zhì)運(yùn)動(dòng)而變化的結(jié)果。狹義相對論還有一個(gè)質(zhì)量隨運(yùn)動(dòng)速度而增加的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高速運(yùn)動(dòng)的電子的質(zhì)量比靜止的電子的質(zhì)量大。

狹義相對論最重要的結(jié)論是使質(zhì)量守恒失去了獨(dú)立性。它和能量守恒原理融合在一起，質(zhì)量和能量可以互相轉(zhuǎn)化。如果物質(zhì)質(zhì)量是M，光速是C，它所含有的能量是E，那么E=MC 2。這個(gè)公式只說明質(zhì)量是M的物體所蘊(yùn)藏的全部能量，并不等于都可以釋放出來，在核反應(yīng)中消失的質(zhì)量就按這個(gè)公式轉(zhuǎn)化成能量釋放出來。按這個(gè)公式，1克質(zhì)量相當(dāng)于9＊10 3焦耳的能量。這個(gè)質(zhì)能轉(zhuǎn)化和守恒原理就是利用原子能的理論基礎(chǔ)。

大狹義相對論中，雖然出現(xiàn)了用牛頓力學(xué)觀點(diǎn)完全不能理解的結(jié)論：空間和時(shí)間隨物質(zhì)運(yùn)動(dòng)而變化，質(zhì)量隨運(yùn)動(dòng)而變化，質(zhì)量和能量的相互轉(zhuǎn)化，但是狹義相對論并不是完全和牛頓力學(xué)割裂的，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)低于光速的時(shí)候，狹義相對論的結(jié)論和牛頓力學(xué)就不會(huì)有什么區(qū)別。

幾十年來的歷史發(fā)展證明，狹義相對論大大推動(dòng)了科學(xué)進(jìn)程，成為現(xiàn)代物理學(xué)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(xué)作的題為《我是怎樣創(chuàng)立相對論的？》的演講中，說明了他關(guān)于相對論想法的產(chǎn)生和發(fā)展過程。他說：“關(guān)于我是怎樣建立相對論概念這個(gè)問題，不太好講。我的思想曾受到那么多神秘而復(fù)雜的事物的啟發(fā)，每種思想的影響，在生活幸福論概念的發(fā)展過程中的不同階段都不一樣……我第次產(chǎn)生發(fā)展相對論的念頭是在17年前，我說不準(zhǔn)這個(gè)想法來自何處，但是我肯定，它包含在運(yùn)動(dòng)物體光學(xué)性質(zhì)問題中，光通過以大海洋傳播，地球在以太中運(yùn)動(dòng)，換句話說，即以太陽對地球運(yùn)動(dòng)。我試圖在物理文獻(xiàn)中尋找以太流動(dòng)的明顯的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，藍(lán)天是沒有成功。隨后，我相親自證明以太相對地球的運(yùn)動(dòng)，或者說證明地球的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)我首次想到這個(gè)問題的時(shí)候，我不懷疑以太的存在或者地球通過以太的運(yùn)動(dòng)。”于是，他設(shè)想了一個(gè)使用兩個(gè)熱電偶進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)：設(shè)置一些反光鏡，以使從單個(gè)光源發(fā)出的光在兩個(gè)不同的方向被反射，一束光平行于地球的運(yùn)動(dòng)方向且同向，另一束光逆向而行。如果想象在兩個(gè)反射光束間的能量差的話，就能用兩個(gè)熱電偶測出產(chǎn)生的熱量差。雖然這個(gè)實(shí)驗(yàn)的想法與邁克爾遜實(shí)驗(yàn)非常相似，但是他沒有得出結(jié)果。

愛因斯坦說：他最初考慮這個(gè)問題時(shí)，正是學(xué)生時(shí)代，當(dāng)時(shí)他已經(jīng)知道了邁克爾遜實(shí)驗(yàn)的奇妙結(jié)果，他很快就得出結(jié)論：如果相信邁克爾遜的零結(jié)果，那么關(guān)于地球相對以太運(yùn)動(dòng)的想法就是錯(cuò)誤的。他說道：“這是引導(dǎo)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(zhuǎn)動(dòng)，但是，地球運(yùn)動(dòng)不可能通過任何光學(xué)實(shí)驗(yàn)探測太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，但是，地球的運(yùn)動(dòng)不可能通過任何光學(xué)實(shí)驗(yàn)探測出來。”

愛因斯坦有機(jī)會(huì)讀了洛倫茲在1895年發(fā)表的論文，他討論并完滿解決了u/c的高次項(xiàng)（u為運(yùn)動(dòng)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(yīng)該在運(yùn)動(dòng)物體的參照系中有效，去講座菲索實(shí)驗(yàn)。在那時(shí)，愛因斯坦堅(jiān)信，麥克斯韋－洛倫茲的電動(dòng)力學(xué)方程是正確的。進(jìn)而這些議程在運(yùn)動(dòng)物體參照系中有效的假設(shè)導(dǎo)致了光速不變的概念。然而這與經(jīng)典和學(xué)中速度相加原理相違背。

為什么這兩個(gè)概念互相矛盾。愛因斯坦為了解釋它，花了差不多一年的時(shí)間試圖去修改洛倫茲理論。一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)。他在一個(gè)朋友的幫助下解決了這一問題。愛因斯坦去問他并交談?dòng)懻摿诉@個(gè)困難問題的各個(gè)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(shí)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(dú)立的、物質(zhì)存在的特殊形式，并對空間、時(shí)間的概念進(jìn)行了深刻的分析，從而建立了新的時(shí)空關(guān)系。他1905年的論文被世界公認(rèn)為第一篇關(guān)于相對論的論文，他則是第一位真正的相對論物理學(xué)家。