狹義相對論 1905年，出生於德國的美籍物理學家阿爾伯特·愛因斯坦（1879——1955）發表了狹義相對論。這個理論指出在宇宙中唯一不變的是光線在真空中的速度，其它任何事物——速度、長度、質量和經過的時間，都隨觀察者的參考系（特定觀察）而變化。該理論解決了許多困擾了物理學家們很長時間的問題，這個理論形成了一個著名的公式：E=MC2，也就是能量（E）等於質量（M）乘以光速（C）的平方。 相對時間 狹義相對論認為時間不是絕對的（即固定不變的）。愛因斯坦指出，隨著物體（觀察者所見到的）線性運動速度的加快，時間會變慢。使用同步原子鐘已證實了這個結論的正確性，將一個鐘錶留在地面上，而攜帶另一個以很快速度移動（如在噴氣式飛機上），隨後進行比較，靜止的鐘表總比另一個稍微快一點。 相對長度 愛爾蘭物理學家喬治·佛茲傑拉德（1851——1901）提出，物質會在運動的方向上收縮（縮小），這意味著根據一個靜止觀察者的觀點，一枚以接近光線執行的火箭所表現出的長度會比它靜止時更短，儘管乘坐火箭的人看來並沒有什麼兩樣。愛因斯坦指出，任何物體以光速運動時，其長度將會縮短為零。 時空 愛因斯坦發表他的相對論二百年前，英國物理學家艾薩克·牛頓（1643——1727）提出時間和空間都是絕對的，空間和時間是完全分開的。然而，在相對論數學中，時間和三維空間——長、寬和高，一起構成一個四維空間框架，叫做時空關聯集。 質量和能量 愛因斯坦從他的狹義相對論中推匯出等式E=MC2（這裡E是能量，M是質量，C是恆定的光速），他用這個等式解釋了質量和能量是等價的。現在認為，質量和能量是同一種物質的不同形式，稱為質能。例如，如果一個物體的能量減少了一定量E，則它的質量也減少等於MC2的量，然而，質能不會消失，只不過以另一種形式被釋放，它叫輻射能量。 伽利略相對性原理 經典物理學是從否定亞里士多德的時空觀開始的。 當時曾有一場激烈的爭論。贊成哥白尼學說的人主張地球在運動，維護亞里士多德-托勒密體系的人則主張地靜說。地靜派有一條反對地動說的強硬理由：如果地球是在高速地運動，為什麼在地面上的人一點也感覺不出來呢？這的確是不能迴避的一個問題。 1632年，伽利略出版了他的名著《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》。書中那位地動派的“薩爾維阿蒂”對上述問題給了一個徹底的回答。他說：“把你和一些朋友關在一條大船甲板下的主艙裡，讓你們帶著幾隻蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲，艙內放一隻大水碗，其中有幾條魚。然後，掛上一個水瓶，讓水一滴一滴地滴到下面的一個寬口罐裡。船魚向各個方向隨便遊動，水滴滴進下面的罐口，你把任何東西扔給你的朋友時，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，無論向哪個方向跳 過的距離都相等。當你仔細地觀察這些事情之後，再使船以任何速度前進，只要運動是勻速，也不忽左忽右地擺動，你將發現，所有上述現象絲毫沒有變化。你也無法從其中任何一個現象來確定，船是在運動還是停著不動。即使船運動得相當快，你跳向船尾也不會比跳向船頭來得遠。雖然你跳到空中時，腳下的船底板向著你跳的相反方向移動。你把不論什麼東西扔給你的同伴時，不論他是在船頭還是在船尾，只要你自己站在對面，你也並不需要用更多的力。水滴將象先前一樣，滴進下面的罐子，一滴也不會滴向船尾。雖然水滴在空中時，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並不比遊向水碗後部來得大；它們一樣悠閒地遊向放在水碗邊緣任何地方的食餌。最後，蝴蝶和蒼蠅繼續隨便地到處飛行，它們也決不會向船尾集中，並不因為它們可能長時間留在空中，脫離開了船的運動，為趕上船的運動而顯出累的樣子。” 薩爾維阿蒂的大船道出一條極為重要的真理，即：從船中發生的任何一種現象，你是無法判斷船究竟是在運動還是停著不動。現在稱這個論斷為伽利略相對性原理。 用現代的語言來說，薩爾維阿蒂的大船就是一種所謂慣性參考系。就是說，以不同的勻速運動著而又不忽左忽右擺動的船都是慣性參考系。在一個慣性系中能看到的種種現象，在另一個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的、等價的。我們不可能判斷哪個慣性參考系是處於絕對靜止狀態，哪一個又是絕對運動的。 伽利略相對性原理不僅從根本上否定了地靜派對地動說的非難，而且也否定了絕對空間觀念（至少在慣性運動範圍內）。所以，在從經典力學到相對論的過渡中，許多經典力學的觀念都要加以改變，唯獨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，愛因斯坦發表了狹義相對論的奠基性論文《論運動物體的電動力學》。關於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的，這兩條原理我們規定如下： 1．物理體系的狀態據以變化的定律，同描述這些狀態變化時所參照的座標系究竟是用兩個在互相勻速移動著的座標系中的哪一個並無關係。 2．任何光線在“靜止的”座標系中都是以確定的速度c運動著，不管這道光線是由靜止的還是運動的物體發射出來的。” 其中第一條就是性原理，第二條是光速不變性。整個狹義相對論就建築在這兩條基本原理上。 愛因斯坦的哲學觀念是,自然界應當是和諧而簡單的。的確，他的理論常有一種引人注目的特色：出於簡單而歸於深奧。狹義相對論就是具有這種特色的一個體系。狹義相對論的兩條基本原理似乎是並不難接受的“簡單事實”，然而它們的推論卻根本地改變了牛頓以來物理學的根基。 後面我們將開始這種推論。
狹義相對論 1905年，出生於德國的美籍物理學家阿爾伯特·愛因斯坦（1879——1955）發表了狹義相對論。這個理論指出在宇宙中唯一不變的是光線在真空中的速度，其它任何事物——速度、長度、質量和經過的時間，都隨觀察者的參考系（特定觀察）而變化。該理論解決了許多困擾了物理學家們很長時間的問題，這個理論形成了一個著名的公式：E=MC2，也就是能量（E）等於質量（M）乘以光速（C）的平方。 相對時間 狹義相對論認為時間不是絕對的（即固定不變的）。愛因斯坦指出，隨著物體（觀察者所見到的）線性運動速度的加快，時間會變慢。使用同步原子鐘已證實了這個結論的正確性，將一個鐘錶留在地面上，而攜帶另一個以很快速度移動（如在噴氣式飛機上），隨後進行比較，靜止的鐘表總比另一個稍微快一點。 相對長度 愛爾蘭物理學家喬治·佛茲傑拉德（1851——1901）提出，物質會在運動的方向上收縮（縮小），這意味著根據一個靜止觀察者的觀點，一枚以接近光線執行的火箭所表現出的長度會比它靜止時更短，儘管乘坐火箭的人看來並沒有什麼兩樣。愛因斯坦指出，任何物體以光速運動時，其長度將會縮短為零。 時空 愛因斯坦發表他的相對論二百年前，英國物理學家艾薩克·牛頓（1643——1727）提出時間和空間都是絕對的，空間和時間是完全分開的。然而，在相對論數學中，時間和三維空間——長、寬和高，一起構成一個四維空間框架，叫做時空關聯集。 質量和能量 愛因斯坦從他的狹義相對論中推匯出等式E=MC2（這裡E是能量，M是質量，C是恆定的光速），他用這個等式解釋了質量和能量是等價的。現在認為，質量和能量是同一種物質的不同形式，稱為質能。例如，如果一個物體的能量減少了一定量E，則它的質量也減少等於MC2的量，然而，質能不會消失，只不過以另一種形式被釋放，它叫輻射能量。 伽利略相對性原理 經典物理學是從否定亞里士多德的時空觀開始的。 當時曾有一場激烈的爭論。贊成哥白尼學說的人主張地球在運動，維護亞里士多德-托勒密體系的人則主張地靜說。地靜派有一條反對地動說的強硬理由：如果地球是在高速地運動，為什麼在地面上的人一點也感覺不出來呢？這的確是不能迴避的一個問題。 1632年，伽利略出版了他的名著《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》。書中那位地動派的“薩爾維阿蒂”對上述問題給了一個徹底的回答。他說：“把你和一些朋友關在一條大船甲板下的主艙裡，讓你們帶著幾隻蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲，艙內放一隻大水碗，其中有幾條魚。然後，掛上一個水瓶，讓水一滴一滴地滴到下面的一個寬口罐裡。船魚向各個方向隨便遊動，水滴滴進下面的罐口，你把任何東西扔給你的朋友時，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，無論向哪個方向跳 過的距離都相等。當你仔細地觀察這些事情之後，再使船以任何速度前進，只要運動是勻速，也不忽左忽右地擺動，你將發現，所有上述現象絲毫沒有變化。你也無法從其中任何一個現象來確定，船是在運動還是停著不動。即使船運動得相當快，你跳向船尾也不會比跳向船頭來得遠。雖然你跳到空中時，腳下的船底板向著你跳的相反方向移動。你把不論什麼東西扔給你的同伴時，不論他是在船頭還是在船尾，只要你自己站在對面，你也並不需要用更多的力。水滴將象先前一樣，滴進下面的罐子，一滴也不會滴向船尾。雖然水滴在空中時，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並不比遊向水碗後部來得大；它們一樣悠閒地遊向放在水碗邊緣任何地方的食餌。最後，蝴蝶和蒼蠅繼續隨便地到處飛行，它們也決不會向船尾集中，並不因為它們可能長時間留在空中，脫離開了船的運動，為趕上船的運動而顯出累的樣子。” 薩爾維阿蒂的大船道出一條極為重要的真理，即：從船中發生的任何一種現象，你是無法判斷船究竟是在運動還是停著不動。現在稱這個論斷為伽利略相對性原理。 用現代的語言來說，薩爾維阿蒂的大船就是一種所謂慣性參考系。就是說，以不同的勻速運動著而又不忽左忽右擺動的船都是慣性參考系。在一個慣性系中能看到的種種現象，在另一個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的、等價的。我們不可能判斷哪個慣性參考系是處於絕對靜止狀態，哪一個又是絕對運動的。 伽利略相對性原理不僅從根本上否定了地靜派對地動說的非難，而且也否定了絕對空間觀念（至少在慣性運動範圍內）。所以，在從經典力學到相對論的過渡中，許多經典力學的觀念都要加以改變，唯獨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，愛因斯坦發表了狹義相對論的奠基性論文《論運動物體的電動力學》。關於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的，這兩條原理我們規定如下： 1．物理體系的狀態據以變化的定律，同描述這些狀態變化時所參照的座標系究竟是用兩個在互相勻速移動著的座標系中的哪一個並無關係。 2．任何光線在“靜止的”座標系中都是以確定的速度c運動著，不管這道光線是由靜止的還是運動的物體發射出來的。” 其中第一條就是性原理，第二條是光速不變性。整個狹義相對論就建築在這兩條基本原理上。 愛因斯坦的哲學觀念是,自然界應當是和諧而簡單的。的確，他的理論常有一種引人注目的特色：出於簡單而歸於深奧。狹義相對論就是具有這種特色的一個體系。狹義相對論的兩條基本原理似乎是並不難接受的“簡單事實”，然而它們的推論卻根本地改變了牛頓以來物理學的根基。 後面我們將開始這種推論。