通俗易懂講解愛因斯坦狹義相對論,看完對世界的理解提升N個檔次

相比起艱澀難懂的廣義相對論，愛因斯坦在 1905 年提出的狹義相對論其實並沒有像我們想像的艱深，那麼狹義相對論究竟講的是什麼呢？今天我就用通俗易懂的方式帶大家了解一下！

狹義相對論提出的背景

1687 年，牛頓發表了《自然哲學的數學原理》，標誌著經典力學的建立，牛頓經典力學在很長時間裡都成為了物理學家心中的聖經與權威。

牛頓的經典力學的核心是伽利略變換，伽利略變換是經典力學中用以在兩個只以均速相對移動的參考系之間變換的方法，屬於一種被動態變換。伽利略變換構建了經典力學的時空觀。

伽利略變換認為，在同一參照系裡，兩個事件同時發生，在其他慣性系裡，兩個事件也一定同時發生，時間間隔的測量是絕對的，長度測量也具有絕對性，經典力學定律在任何慣性參考系中數學形式不變，換言之，所有慣性系都是等價的（相對性原理）。

所以我們才會說伽利略變換構建了經典力學中的絕對時空觀，時間和空間均與參考系的運動狀態無關、時間和空間是不相聯繫的，是絕對的。也就是說空間、時間與物體的運動狀態無關！

受經典力學的影響，物理學家認為宇宙到處都存在著一種稱之為以太的物質,因為在經典力學裡，曾經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），在當時的觀念裡，似乎除了由直接接觸所產生的那些作用之外不應有別的作用。

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，即認為超距作用力實際上是靠充滿空間的媒質來傳遞的，傳遞方式或是靠這種媒質的運動，或是靠它的彈性形變．這樣，便提出了以太假說。

他們普遍認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，由此發展了「光以太」假說。

除此之外，物理學家將這種無處不在的「以太」看作絕對慣性系，其它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以太參照系的速度的矢量疊加。

舉一個簡單的例子，你在火車上跑，那麼你的小夥伴看來，你的速度=火車的速度+你在車上的速度發現沒有，在這個理論當中，速度是可以疊加的，但是如果你的小夥伴在一輛速度相同的火車上看你，那麼你的速度就是你在車上奔跑的速度。

所以其它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以太參照系的速度的矢量疊加。就是這個道理，也就是說光速會隨著參照系的不同，也變得不同。

但是到了後來，麥克斯韋創建了電磁理論，實現了物理學的第一次大一統，麥克斯韋方程組構建了電動力學的基石，但卻和牛頓的經典力學產生了矛盾。麥克斯韋建立的電動力學，有一個結果就是光速在不同慣性系是不變的，電光速是不需要相對於某個參考系而言的。在任何慣性參考系下，光速都是3×10^8m/s。

這個結果和經典力學的伽利略變換是相矛盾的。如果我們把伽利略變換應用於描述電磁現象的麥克斯韋方程組時，將發現它的形式不是不變的，也就是說光速不是一個固定的數值，即在伽利略變換下麥克斯韋方程組或電磁現象規律不滿足相對性原理。

我們可以由麥克斯韋方程組得到電磁波的波動方程，由波動方程解出真空中的光速是一個常數。按照經典力學的時空觀，這個結論應當只在某個特定的慣性參照系中成立，這個參照系就是以太。但是電磁理論卻得出了光速在任何情況下是不變的，也就是說以太這個絕對慣性系是不存在的，

一句話概括：電磁現象所遵從的麥克斯韋方程組不服從伽利略變換，導致了經典力學出現危機。

物理學家對經典力學的修補

而為了否定電磁理論，捍衛經典力學的權威性。許多物理學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於地球的運動，來佐證以太的存在。

著名實驗物理學家麥可遜和莫雷就用幹涉儀以尋找光以太相對於地球的運動做了實驗觀察．這就是著名的邁克耳孫—莫雷實驗。

這個實驗的用意在於探測光以太對於地球的漂移速度，從而證明以太的存在。因為在經典力學裡，以太代表了一個絕對靜止的參考系，而地球穿過以太在空間中運動，就相當於一艘船在高速行駛，迎面會吹來強烈的「以太風」。若能測定以太與地球的相對速度，即以太漂移速度，便可證明以太的存在。

以太風

麥可遜在1881年進行了第一次實驗，想測出這個相對速度，但結果並不十分令人滿意。於是，他和另外一位物理學家莫雷合作，在1886年安排了第二次實驗。這可能是當時物理史上進行過的最精密的實驗了。他們動用了最新的幹涉儀。為了提高系統的靈敏度和穩定性，他們甚至多方籌措，弄來了一塊大石板，把它放在一個水銀槽上。這樣就把幹擾的因素降到了最低的限度。

邁爾克實驗

然而，實驗結果卻讓他們無比震驚和失望：兩束光線根本就沒有表現出任何的時間差。以太似乎對穿越於其中的光線毫無影響。根本測量不到地球相對於以太參照系的運動速度。 地球相對以太不運動。此後其他的一些實驗亦得到同樣的結果。麥可遜和莫雷不甘心，一連觀測了四天，情況都是一樣。麥可遜和莫雷甚至還想連續觀測一年，以確定在四季中，地球繞太陽運行對以太風造成的差別。但因為這個否定的結果是如此清晰而不容質疑，這個計劃被無奈地取消了。

隨著邁克耳孫—莫雷實驗的多次失敗，證明以太的存在捍衛經典力學的權威性的想法宣告破產。

這個時候，著名物理學家洛倫茲為了在承認光速與參照系無關的條件下，拯救以太假設，便拋棄了空間間隔和時間間隔與參照系無關的絕對觀念。在他看來，常駐以太參照系是基本參照系，在這個參照系中，時間是均勻流逝的，空間是均勻的，各向同性的。任何實際參照系都相對於這個基本參照系運動著。

根據他的設想，觀察者相對於以太以一定速度運動時，長度在運動方向上發生收縮，抵消了不同方向上由於光速差異。

洛倫茲變換一定程度上調和了經典力學和電動力學之間的矛盾，給了伽利略變換一個適用的領域，那麼就可以解釋為什麼伽利略變換下麥克斯韋方程組或電磁現象規律不滿足相對性原理。

然而洛倫茲變換畢竟是為了拯救錯誤的以太假說而提出的，在調和經典力學與電動力學之間的矛盾上還存在許多的問題。在相對論以前，洛倫茲從存在絕對靜止以太的觀念出發，考慮物體運動發生收縮的物質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學上的輔助手段，並不包含相對論的時空觀。

所以，經典力學的危機並沒有解除，這個時候，愛因斯坦登場了！

愛因斯坦提出了狹義相對論，誕生新的時空觀

愛因斯坦洞察到解決這種不協調狀況的關鍵是同時性的定義，愛因斯坦認為既然光速不變，作為靜止參考系的以太就沒有理由存在。於是拋棄靜止參考系以太，1905年愛因斯坦發表的題為《論動體的電動力學》一文中以光速不變原理和狹義相對性原理為基本假設的基礎上建立了一種區別於牛頓時空觀的新的平直時空理論。這就是我們熟知的大名鼎鼎的狹義相對論。

狹義相對性原理：一切物理定律（除引力外的力學定律、電磁學定律以及其他相互作用的動力學定律）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。不同時間進行的實驗給出了同樣的物理定律，這正是相對性原理的實驗基礎。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動狀態無關。在真空中的各個方向上，光信號傳播速度（即單向光速）的大小均相同（即光速各向同性）；光速同光源的運動狀態和觀察者所處的慣性系無關。這個原理同經典力學不相容。有了這個原理，才能夠準確地定義不同地點的同時性。

愛因斯坦基於事實的觀察著眼於修改運動、時間、空間等基本概念，重新導出洛倫茲變換，並賦予洛倫茲變換嶄新的物理內容，來解釋麥可遜-莫雷實驗和光速不變。愛因斯坦的洛侖茲變換是指純數學的空間縮短，不再是組成量杆的帶電粒子距離縮短。而且這種空間縮短不具有任何實質性的物理意義。

在狹義相對論中，洛倫茲變換是最基本的關係式，狹義相對論的運動學結論和時空性質，如同時性的相對性、長度收縮、時間延緩、速度變換公式、相對論都卜勒效應等都可以從洛倫茲變換中直接得出。

根據光速不變原理，相對於任何慣性參考系，光速都具有相同的數值。在光速不變和相對性原理的基礎上，

在狹義相對論中，空間和時間並不相互獨立，而是一個統一的四維時空整體，不同慣性參照系之間的變換關係式與洛倫茲變換在數學表達式上是一致的。

由此，經典力學與電動力學之間的矛盾徹底被調和，如果速度v比光速с小很多，而且被觀察的物體的運動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。對於日常的力學現象，使用伽利略變換就可以了。然而，對於運動物體的電磁現象，雖然物體的運動速度比光速小很多，但由於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動時、亦或者是電磁過程不會成立，這是相對論效應造成的。愛因斯坦的狹義相對論給經典力學和電磁場論都劃分了各自適用的領域，一旦超過了這個範圍，那麼將不再適用。

簡而言之，就是愛因斯坦在以光速不變原理和狹義相對性原理為基本假設的基礎上，以洛倫茲變換為核心提出了狹義相對論，解決了經典力學的危機，並且提出了一種全新的時空觀。

牛頓時空觀認為:時間、空間是絕對的，絕對是指時間、空間與物質運動無關，與參考系無關;空間和時間也是彼此獨立的，空間的度量與時間無關， 時間的度量與空間無關，同時性也是絕對的。牛頓時空觀反映在伽利略變換之中。

而狹義相對論時空觀認為:時間、空間、運動三者是不可分割地聯繫著; 時間、空間的度量是相對的。不同的慣性系沒有共同的同時性，沒有相同的時間、空間度量。比如時間延緩是一種相對效應；時間的流逝不是絕對的，運動將改變時間的進程（這句你可以簡單理解為，你的運動狀態對你的壽命將產生影響）；長度收縮是空間的屬性，是一種相對效應。