相比起艱澀難懂的廣義相對(duì)論，愛因斯坦在 1905 年提出的狹義相對(duì)論其實(shí)并沒有像我們想象的艱深，那么狹義相對(duì)論究竟講的是什么呢？今天我就用通俗易懂的方式帶大家了解一下！

狹義相對(duì)論提出的背景

1687 年，牛頓發(fā)表了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)的建立，牛頓經(jīng)典力學(xué)在很長時(shí)間里都成為了物理學(xué)家心中的圣經(jīng)與權(quán)威。

牛頓的經(jīng)典力學(xué)的核心是伽利略變換，伽利略變換是經(jīng)典力學(xué)中用以在兩個(gè)只以均速相對(duì)移動(dòng)的參考系之間變換的方法，屬于一種被動(dòng)態(tài)變換。伽利略變換構(gòu)建了經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀。

伽利略變換認(rèn)為，在同一參照系里，兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生，在其他慣性系里，兩個(gè)事件也一定同時(shí)發(fā)生，時(shí)間間隔的測量是絕對(duì)的，長度測量也具有絕對(duì)性，經(jīng)典力學(xué)定律在任何慣性參考系中數(shù)學(xué)形式不變，換言之，所有慣性系都是等價(jià)的（相對(duì)性原理）。

所以我們才會(huì)說伽利略變換構(gòu)建了經(jīng)典力學(xué)中的絕對(duì)時(shí)空觀，時(shí)間和空間均與參考系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)、時(shí)間和空間是不相聯(lián)系的，是絕對(duì)的。也就是說空間、時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)！

受經(jīng)典力學(xué)的影響，物理學(xué)家認(rèn)為宇宙到處都存在著一種稱之為以太的物質(zhì),因?yàn)樵诮?jīng)典力學(xué)里，曾經(jīng)有兩種力的概念存在．一種是接觸力(如碰撞、壓力或拉力等勒，另一種是超距件用力（如重力），在當(dāng)時(shí)的觀念里，似乎除了由直接接觸所產(chǎn)生的那些作用之外不應(yīng)有別的作用。

按照這樣的觀念，人們曾試圖以接觸作用力來解釋牛頓的超距作用力，即認(rèn)為超距作用力實(shí)際上是靠充滿空間的媒質(zhì)來傳遞的，傳遞方式或是靠這種媒質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，或是靠她的彈性形變．這樣，便提出了以太假說。

他們普遍認(rèn)為以太是傳播光的媒介，引力甚至電、磁力是在以太中傳播的，由此發(fā)展了“光以太”假說。

除此之外，物理學(xué)家將這種無處不在的“以太”看作絕對(duì)慣性系，其她參照系中測量到的光速是以太中光速與觀察者所在參照系相對(duì)以太參照系的速度的矢量疊加。

舉一個(gè)簡單的例子，你在火車上跑，那么你的小伙伴看來，你的速度_火車的速度+你在車上的速度發(fā)現(xiàn)沒有，在這個(gè)理論當(dāng)中，速度是可以疊加的，但是如果你的小伙伴在一輛速度相同的火車上看你，那么你的速度就是你在車上奔跑的速度。

所以其她參照系中測量到的光速是以太中光速與觀察者所在參照系相對(duì)以太參照系的速度的矢量疊加。就是這個(gè)道理，也就是說光速會(huì)隨著參照系的不同，也變得不同。

但是到了后來，麥克斯韋創(chuàng)建了電磁理論，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)的第一次大一統(tǒng)，麥克斯韋方程組構(gòu)建了電動(dòng)力學(xué)的基石，但卻和牛頓的經(jīng)典力學(xué)產(chǎn)生了矛盾。麥克斯韋建立的電動(dòng)力學(xué)，有一個(gè)結(jié)果就是光速在不同慣性系是不變的，電光速是不需要相對(duì)于某個(gè)參考系而言的。在任何慣性參考系下，光速都是3×10^8m/s。

這個(gè)結(jié)果和經(jīng)典力學(xué)的伽利略變換是相矛盾的。如果我們把伽利略變換應(yīng)用于描述電磁現(xiàn)象的麥克斯韋方程組時(shí)，將發(fā)現(xiàn)她的形式不是不變的，也就是說光速不是一個(gè)固定的數(shù)值，即在伽利略變換下麥克斯韋方程組或電磁現(xiàn)象規(guī)律不滿足相對(duì)性原理。

我們可以由麥克斯韋方程組得到電磁波的波動(dòng)方程，由波動(dòng)方程解出真空中的光速是一個(gè)常數(shù)。按照經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀，這個(gè)結(jié)論應(yīng)當(dāng)只在某個(gè)特定的慣性參照系中成立，這個(gè)參照系就是以太。但是電磁理論卻得出了光速在任何情況下是不變的，也就是說以太這個(gè)絕對(duì)慣性系是不存在的，

一句話概括_電磁現(xiàn)象所遵從的麥克斯韋方程組不服從伽利略變換，導(dǎo)致了經(jīng)典力學(xué)出現(xiàn)危機(jī)。

物理學(xué)家對(duì)經(jīng)典力學(xué)的修補(bǔ)

而為了否定電磁理論，捍衛(wèi)經(jīng)典力學(xué)的權(quán)威性。許多物理學(xué)家都開始去嘗試證明以太的存在。其中之一的方法就是通過尋找光以太相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)，來佐證以太的存在。

著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷就用干涉儀以尋找光以太相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)做了實(shí)驗(yàn)觀察．這就是著名的邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的用意在于探測光以太對(duì)于地球的漂移速度，從而證明以太的存在。因?yàn)樵诮?jīng)典力學(xué)里，以太代表了一個(gè)絕對(duì)靜止的參考系，而地球穿過以太在空間中運(yùn)動(dòng)，就相當(dāng)于一艘船在高速行駛，迎面會(huì)吹來強(qiáng)烈的“以太風(fēng)”。若能測定以太與地球的相對(duì)速度，即以太漂移速度，便可證明以太的存在。

以太風(fēng)

邁克爾遜在1881年進(jìn)行了第一次實(shí)驗(yàn)，想測出這個(gè)相對(duì)速度，但結(jié)果并不十分令人滿意。于是，他和另外一位物理學(xué)家莫雷合作，在1886年安排了第二次實(shí)驗(yàn)。這可能是當(dāng)時(shí)物理史上進(jìn)行過的最精密的實(shí)驗(yàn)了。他們動(dòng)用了最新的干涉儀。為了提高系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性，他們甚至多方籌措，弄來了一塊大石板，把她放在一個(gè)水銀槽上。這樣就把干擾的因素降到了最低的限度。

邁爾克實(shí)驗(yàn)

然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻讓他們無比震驚和失望_兩束光線根本就沒有表現(xiàn)出任何的時(shí)間差。以太似乎對(duì)穿越于其中的光線毫無影響。根本測量不到地球相對(duì)于以太參照系的運(yùn)動(dòng)速度。 地球相對(duì)以太不運(yùn)動(dòng)。此后其他的一些實(shí)驗(yàn)亦得到同樣的結(jié)果。邁克爾遜和莫雷不甘心，一連觀測了四天，情況都是一樣。邁克爾遜和莫雷甚至還想連續(xù)觀測一年，以確定在四季中，地球繞太陽運(yùn)行對(duì)以太風(fēng)造成的差別。但因?yàn)檫@個(gè)否定的結(jié)果是如此清晰而不容質(zhì)疑，這個(gè)計(jì)劃被無奈地取消了。

隨著邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)的多次失敗，證明以太的存在捍衛(wèi)經(jīng)典力學(xué)的權(quán)威性的想法宣告破產(chǎn)。

這個(gè)時(shí)候，著名物理學(xué)家洛倫茲為了在承認(rèn)光速與參照系無關(guān)的條件下，拯救以太假設(shè)，便拋棄了空間間隔和時(shí)間間隔與參照系無關(guān)的絕對(duì)觀念。在他看來，常駐以太參照系是基本參照系，在這個(gè)參照系中，時(shí)間是均勻流逝的，空間是均勻的，各向同性的。任何實(shí)際參照系都相對(duì)于這個(gè)基本參照系運(yùn)動(dòng)著。

根據(jù)他的設(shè)想，觀察者相對(duì)于以太以一定速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，長度在運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生收縮，抵消了不同方向上由于光速差異。

洛倫茲變換一定程度上調(diào)和了經(jīng)典力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)之間的矛盾，給了伽利略變換一個(gè)適用的領(lǐng)域，那么就可以解釋為什么伽利略變換下麥克斯韋方程組或電磁現(xiàn)象規(guī)律不滿足相對(duì)性原理。

然而洛倫茲變換畢竟是為了拯救錯(cuò)誤的以太假說而提出的，在調(diào)和經(jīng)典力學(xué)與電動(dòng)力學(xué)之間的矛盾上還存在許多的問題。在相對(duì)論以前，洛倫茲從存在絕對(duì)靜止以太的觀念出發(fā)，考慮物體運(yùn)動(dòng)發(fā)生收縮的物質(zhì)過程得出洛倫茲變換。在洛倫茲理論中，變換所引入的量僅僅看作是數(shù)學(xué)上的輔助手段，并不包含相對(duì)論的時(shí)空觀。

所以，經(jīng)典力學(xué)的危機(jī)并沒有解除，這個(gè)時(shí)候，愛因斯坦登場了！

愛因斯坦提出了狹義相對(duì)論，誕生新的時(shí)空觀

愛因斯坦洞察到解決這種不協(xié)調(diào)狀況的關(guān)鍵是同時(shí)性的定義，愛因斯坦認(rèn)為既然光速不變，作為靜止參考系的以太就沒有理由存在。于是拋棄靜止參考系以太， 1905年愛因斯坦發(fā)表的題為《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué) 》一文中以光速不變原理和狹義相對(duì)性原理為基本假設(shè)的基礎(chǔ)上建立了一種區(qū)別于牛頓時(shí)空觀的新的平直時(shí)空理論。這就是我們熟知的大名鼎鼎的狹義相對(duì)論。

狹義相對(duì)性原理_一切物理定律（除引力外的力學(xué)定律、電磁學(xué)定律以及其他相互作用的動(dòng)力學(xué)定律）在所有慣性系中均有效；或者說，一切物理定律（除引力外）的方程式在洛倫茲變換下保持形式不變。不同時(shí)間進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)給出了同樣的物理定律，這正是相對(duì)性原理的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

光速不變原理_光在真空中總是以確定的速度c傳播，速度的大小同光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。在真空中的各個(gè)方向上，光信號(hào)傳播速度（即單向光速）的大小均相同（即光速各向同性）；光速同光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和觀察者所處的慣性系無關(guān)。這個(gè)原理同經(jīng)典力學(xué)不相容。有了這個(gè)原理，才能夠準(zhǔn)確地定義不同地點(diǎn)的同時(shí)性。

愛因斯坦基于事實(shí)的觀察著眼于修改運(yùn)動(dòng)、時(shí)間、空間等基本概念，重新導(dǎo)出洛倫茲變換，并賦予洛倫茲變換嶄新的物理內(nèi)容，來解釋邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)和光速不變。愛因斯坦的洛侖茲變換是指純數(shù)學(xué)的空間縮短，不再是組成量桿的帶電粒子距離縮短。而且這種空間縮短不具有任何實(shí)質(zhì)性的物理意義。

在狹義相對(duì)論中，洛倫茲變換是最基本的關(guān)系式，狹義相對(duì)論的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)論和時(shí)空性質(zhì)，如同時(shí)性的相對(duì)性、長度收縮、時(shí)間延緩、速度變換公式、相對(duì)論多普勒效應(yīng)等都可以從洛倫茲變換中直接得出。

根據(jù)光速不變原理，相對(duì)于任何慣性參考系，光速都具有相同的數(shù)值。在光速不變和相對(duì)性原理的基礎(chǔ)上，

在狹義相對(duì)論中，空間和時(shí)間并不相互獨(dú)立，而是一個(gè)統(tǒng)一的四維時(shí)空整體，不同慣性參照系之間的變換關(guān)系式與洛倫茲變換在數(shù)學(xué)表達(dá)式上是一致的。

由此，經(jīng)典力學(xué)與電動(dòng)力學(xué)之間的矛盾徹底被調(diào)和，如果速度v比光速с小很多，而且被觀察的物體的運(yùn)動(dòng)速度也比光速小很多，則洛倫茲變換就與伽利略變換近似一樣。對(duì)于日常的力學(xué)現(xiàn)象，使用伽利略變換就可以了。然而，對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體的電磁現(xiàn)象，雖然物體的運(yùn)動(dòng)速度比光速小很多，但由于電磁相互作用的傳播速度是光速，所以仍必須使用洛倫茲變換。

所以說，伽利略變換明顯成立的公式在物體以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)、亦或者是電磁過程不會(huì)成立，這是 相對(duì)論效應(yīng)造成的。愛因斯坦的狹義相對(duì)論給經(jīng)典力學(xué)和電磁場論都劃分了各自適用的領(lǐng)域，一旦超過了這個(gè)范圍，那么將不再適用。

簡而言之，就是愛因斯坦在以光速不變原理和狹義相對(duì)性原理為基本假設(shè)的基礎(chǔ)上，以洛倫茲變換為核心提出了狹義相對(duì)論，解決了經(jīng)典力學(xué)的危機(jī)，并且提出了一種全新的時(shí)空觀。

牛頓時(shí)空觀認(rèn)為:時(shí)間、空間是絕對(duì)的，絕對(duì)是指時(shí)間、空間與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)無關(guān)，與參考系無關(guān);空間和時(shí)間也是彼此獨(dú)立的，空間的度量與時(shí)間無關(guān)， 時(shí)間的度量與空間無關(guān)，同時(shí)性也是絕對(duì)的。牛頓時(shí)空觀反映在伽利略變換之中。

而狹義相對(duì)論時(shí)空觀認(rèn)為:時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)三者是不可分割地聯(lián)系著; 時(shí)間、空間的度量是相對(duì)的。不同的慣性系沒有共同的同時(shí)性，沒有相同的時(shí)間、空間度量。比如時(shí)間延緩是一種相對(duì)效應(yīng)；時(shí)間的流逝不是絕對(duì)的，運(yùn)動(dòng)將改變時(shí)間的進(jìn)程（這句你可以簡單理解為，你的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)你的壽命將產(chǎn)生影響）；長度收縮是空間的屬性，是一種相對(duì)效應(yīng)。