通俗理解狹義相對論的兩個基本原理

有關「場」的理論，之所以在20世紀被人們廣泛接受並得到迅速發展，完全是因為麥克斯韋電磁場理論經受住了各種考驗，立住了腳。

而當電磁場理論受到伽利略相對性原理的挑戰險些崩潰時，正是愛因斯坦的相對論使之化險為夷。因為相對論，電磁場理論不僅能夠成立，而且還能描述高速運動現象。所以我們在討論場時，不能忽視狹義相對論的兩個基本原理。

創立狹義相對論的背景

人們從傳統的時間、空間和運動的觀念出發，看到電磁現象是不服從伽利略相對性原理的（牛頓力學的核心雖然是絕對時空觀，但牛頓依然承認伽利略的相對性原理，因為牛頓認為絕對時空觀說的是空間本身，並不指個體的運動）。確切地說，麥克斯韋方程組是不滿足伽利略不變性的。於是人們引進超物質的「以太」作為絕對運動的標準（當時，人們認為牛頓的絕對時空觀不應僅指空間本身，還應包括個體的運動，宇宙中是不存在相對性原理的）。

然而，當人們設法測量地球相對以太的運動速度時（這個測量就是著名的邁克耳遜-莫雷的「以太漂移」實驗），卻得到相互矛盾的結果。這些結果與傳統觀念尖銳對立，各種調和這些矛盾的企圖都歸於失敗。這就使人們想到，在力學實驗中無法觀察到的絕對坐標，在電磁試驗中也是無法觀察到的。德國物理學家阿爾伯特·愛因斯坦首先認識到這一點。

他認為應該徹底放棄以太假說以及隨之而來的絕對靜止和絕對運動的觀點，重新回到相對性原理。他認為電磁現象和力學現象一樣服從相對性原理，對電磁現象而言，只是體現力學相對性原理的伽利略變換必須修改，而代替它的是承認光速不變的洛倫茲變換，這是因為麥克斯韋方程組服從相對性原理的先決條件乃是光速不變。換句話說，在麥克斯韋方程組中，光速與光的傳播方向無關。

可是按照以太理論來看，在地球上的電磁現象滿足麥克斯韋方程租這個事實，表明地球相對以太的運動速度很小，否則就能看到地球上的光速與光的前進方向有關的事實。19世紀末的人認為，在相對以太高速運動的坐標系中，電磁場方程遠比麥克斯韋方程複雜。這種看法表明，在地球上觀察到光速與前進方向無關，只是由於地球相對以太運動的速度很小這個偶然性導致的。而愛因斯坦則認為，不論在實驗室還是在太陽系，光速在任意方向上都等於C，這不是一個偶然現象。1905年，愛因斯坦發表了相對論的第一篇論文《論運動物體的動力學》，否定了以太假說，提出了狹義相對論的兩個基本原理：

狹義相對論的兩個基本原理

一，光速不變原理：真空中的光速在各個慣性系中都等於C。

二，相對性原理：所有物理學規律的形式，在相對做勻速直線運動的慣性系中是相同的。

這兩個原理是互相獨立的，光速不變原理是相對性原理的先決條件。在光速不變原理的基礎上，愛因斯坦定義了「同時」這個概念，並且給它一個精確的測量上的意義。比如說，空間有兩件事「同時」分別在A、B兩點發生，究竟怎樣具體地用觀察手段來證明它們是「同時」的呢？一個最精密的方法使用光來測量。可以在AB的中點放置兩個反射鏡和一個望遠鏡，使A、B兩點射來的光線重合的進入望遠鏡裡。當A、B兩處的兩個事件「同時」發生時，可以從望遠鏡裡看到兩個事件的重疊景象，這樣就可確定它們是否真的「同時」。其根據是在慣性系中光的前進速度恆定不變，而且與傳播方向無關的原理。這樣定義的「同時」的概念，就只具有相對的意義。

正如愛因斯坦在論文中指出的那樣：「我們不能給予同時性這個概念以任何絕對的意義；兩個事件從一個坐標系看來是同時的，而從另一個相對這個坐標系運動著的坐標系來看，它們就不能再被認為是同時的事件了。」

由於經典的時空觀是建立在絕對時間的基礎之上的，這一基礎的破壞便導致許多日常時空觀的破壞。

例如運動長度的收縮。當一根棍子在運動的時候，測量其長度就必須小心，一定要同時測量棍子兩端的坐標，兩端坐標的差值才是棍子的長度。由於「同時」是相對的，這樣測出的運動長度在不同的慣性系中就不相同。一根做勻速直線運動的棍長取決於它相對於參考系的速度，在相對運動的方向上會按由洛倫茲變換公式確定的比例縮短。這種收縮是一種運動學效應，即它是由於被測量物體相對觀察者的運動狀態不同而導致的。同樣的運動學效應還有運動時鐘的變慢。一個相對於參考系勻速運動的鐘，比這個鐘相對靜止時要走的慢一些，其變慢的比例也是由洛倫茲變換公式確定的。從收縮比例很容易看出，在棍子或時鐘的速度接近於光速的極端情況下，收縮比例會變得無窮大，棍子的長度會縮到幾近於零，時鐘會變得像停住了一樣；如果速度遠遠小於光速，那麼棍子幾乎不收縮，時鐘也幾乎不變慢。因此，我們日常世界的物質運動一般都顯示不出這種相對論效應。可見，經典的時空觀念，只是客觀世界的近似描寫。相對論時空觀最基本的特點，就是通過光的傳播把時間、空間和運動聯繫起來，從而解釋了時空的基本屬性。

對洛倫茲變換的兩種不同解讀

經典力學中兩個慣性系之間的時空坐標是通過伽利略變換來聯繫的，力學規律在伽利略變換下形式不變。相應地在相對論時空觀念裡，不同慣性系之間關於時間與空間坐標的關係是由洛倫茲變換來描寫。在低速近似的情況下，洛倫茲變換能還原為伽利略變換。有趣的是，洛倫茲變換首先是由荷蘭物理學家洛倫茲在相對論建立以前就得到了。

洛倫茲堅持以太假說，他認為運動物體內部電磁力的改變使得電磁試驗無法發現物體相對以太的運動，但並不排除個別實驗可以有這種發現的可能性，這種觀點與相對論對立的。愛因斯坦則是從相對論的兩個基本原理和時空的幾個普遍性質出發，獨立的導出了洛倫茲變換公式。

對洛倫茲變換的理論解釋，前者是持經典力學機械觀，後者是持相對論時空觀。