狭义相对论的内容(详细)

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第一部分 狭义相对论
1．几何命题的物理意义
阅读本书的读者,大多数在做学生的时候就熟悉欧几里得几何学的宏伟大厦.你们或许会以一种敬多于爱的心情记起这座伟大的建筑.在这座建筑的高高的楼梯上,你们曾被认真的教师追迫了不知多少时间.凭着你们过去的经验,谁要是说这门科学中的那怕是最冷僻的命题是不真实的,你们都一定会嗤之以鼻.但是,如果有人这样问你们,“你们说这些命题是真实的,你们究竟是如何理解的呢?”那么你们这种认为理所当然的骄傲态度或许就会马上消失.让我们来考虑一下这个问题.
几何学是从某些象“平面”、“点”和“直线”之类的概念出发的,我们可以有大体上是确定的观念和这些要领相联系；同时,几何学还从一些简单的命题（公理）出发,由于这些观念,我们倾向于把这些简单的命题当作“真理”接受下来.然后,根据我们自己感到不得不认为是正当的一种逻辑推理过程,阐明其余的命题是这些公理的推论,也就是说这些命题已得到证明.于是,只要一个命题是以公认的方法从公理中推导出来的,这个命题就是正确的（就是“真实的”）.这样,各个几何命题是否“真实”的问题就归结为公理是否“真实”的问题.可是人们早就知道,上述最后一个问题不仅是用几何学的方法无法解答的,而且这个问题本身就是完全没有意义的.我们不能问“过两点只有一直线”是否真实.我们只能说,欧几里得几何学研究的是称之为“直线”的东西,它说明每一直线具有由该直线上的两点来唯一地确定的性质.“真实”这一概念有由该直线上的两点来唯一地确定的性质.“真实”这一概念与纯几何这的论点是不相符的,因为“真实”一词我们在习惯上总是指与一个“实在的”客体相当的意思；然而几何学并不涉及其中所包含的观念与经验客体之间的关系,而只是涉及这些观念本身之间的逻辑联系.
不难理解,为什么尽管如些我们还是感到不得不将这些几何命题称为“真理”.几何观念大体上对应于自然界中具有正确形状的客体,而这些客体无疑是产生这些观念的唯一渊源.几何学应避免遵循这一途径,以便能够使其结构获得最大限度的逻辑一致性.例如,通过位于一个在实践上可视为刚性的物体上的两个有记号的位置来查看“距离”的办法,在我们的思想习惯中是根深蒂固的.如果我们适当地选择我们的观察位置,用一只眼睛观察而能使三个点的视位置相互重合,我们也习惯于认为这三个点位于一条直线上.
如果,按照我们的思想习惯,我们现在在欧几里得几何学的命题中补充一个这样的命题,即在一个在实践上可视为刚性的物体上的两个点永远对应于同一距离（直线间隔）,而与我们可能使该物体的位置发生的任何变化无关,那么,欧几里得几何学的命题就归结为关于各个在实践上可以视为刚性的物体的所有相对位置的命题.作了这样补充的几何学可以看作物理学的一个分支.现在我们就能够合法地提出经过这样解释的几何命题是否“真理”的问题；因为我们有理由问,对于与我们的几何观念相联系的那些实在的东西来说,这些命题是否被满足.用不大精确的措词来表达,上面这句话可以说成为,我们把此种意义的几何命题的“真实性”理解为这个几何命题对于用圆规和直尺作图的有效性.
当然,以此种意义断定的几何命题的“真实性”,是仅仅以不大完整的经验为基础的.目下,我们暂先认定几何命题的“真实性”.然后我们在后一阶段（在论述广义相对论时）将会看到,这种“真实性”是有限的,那时我们将讨论这种有限性范围的大小.
2．坐标系
根据前已说明的对距离的物理解释,我们也能够用量度的方法确立一刚体上两点问的距离.为此目的,我们需要有一直可用来作为量度标准的一个“距离”（杆S）.如果A和B是一刚体上的两点,我们可以按照几何学的规则作一直线连接该两点：然后以上为起点,一次一次地记取距离S,直到到达B点为止.所需记取的次数就是距离AB的数值量度,这是一切长度测量的基础.
描述一事件发生的地点或一物体在空间中的位置,都是以能够在一刚体（参考物体）上确定该事件或该物体的相重点为根据的,不仅科学描述如此,对于日常生活来说亦如此如果我来分析一下“北京天安门广场”这一位置标记,我就得出下列结果.地球是该位置标记所参照的刚体；“北京天安门广场”是地球上已明确规定的一点,已经给它取上了名称,而所考虑的事件则在空间上与该点是相重合的.
这种标记位置的原始方法只适用于刚体表面上的位置,而且只有在刚体表面上存在着可以相互区分的各个点的情况下才能够使用这种方法.但是我们可以摆脱这两种限制,而不致改变我们的位置标记的本质.譬如有一块白云飘浮在天安门广场上空,这时我们可以在天安门广场上垂直地竖起一根竿子直抵这块白云,来确定这块白云相对于地球表面的位置,用标准量杆量度这根竿于的长度,结合对这根竿子下端的位置标记,我们就获得了关于这块白云的完整的位置标记.根据这个例子,我们就能够看出位置的概念是如何改进提高的.
（1）我们设想将确定位置所参照的刚体加以补充,补充后的刚体延伸到我们需要确定其位置的物体.
（2）在确定物体的位置时,我们使用一个数（在这里是用量杆量出来的竿于长度）,而不使用选定的参考点.
（3）即使未曾把高达云端的竿子竖立起来,我们也可以讲出云的高度,我们从地面上各个地方,用光学的方法对这块云进行观测,井考虑光传播的特性,就能够确定那需要把它升上云端的竿子的长度.
从以上的论述我们看到,如果在描述位置时我们能够使用数值量度,而不必考虑在刚性参考物体上是否存在着标定的位置（具有名称的）,那就会比较方便.在物理测量中应用笛卡儿坐标系达到了这个目的.
笛卡儿坐标系包含三个相互垂直的平面,这三个平面与一刚体牢固地连接起来.在一个坐标系中,任何事件发生的地点（主要）由从事件发生的地点向该三个平面所作垂线的长度或坐标(x,y,z)来确定,这三条垂线的长度可以按照欧几里得几何学所确立的规则和方法用刚性量杆经过一系列的操作予以确定.
在实际上,构成坐标系的刚性平面一般来说是用不着的；还有,坐标的大小不是用刚杆结构确定的,而是用间接的方法确定的如果要物理学和天文学所得的结果保持其清楚明确的性质,就必须始终按照上述考虑来寻求位置标示的物理意义.
由此我们得到如下的结果：事件在空间中的位置的每一种描述都要使用为描述这些事件而必须参照的一个刚体.所得出的关系系以假定欧几里得几何学的定理适用于“距离”为依据；“距离”在物理上一般习惯是以一刚体上的两个标记来表示.
3．经典力学中的空间和时间
力学的目的在于描述物体在空间中的位置如何随“时间”而改变.如果我未经认真思考、不如详细的解释就来表述上述的力学的目的,我的良心会承担违背力求清楚明确的神圣精神的严重过失.让我们来揭示这些过失.
这里.“位置”和“空间”应如何理解是不清楚的.设一列火车正在匀速地行驶,我站在车厢窗口松手丢下（不是用力投掷）一块石头到路基上.那么,如果不计空气阻力的影响,我看见石头是沿直线落下的.从人行道上观察这一举动的行人则看到石头是沿抛物线落到地面上的.现在我问,石头所经过的各个“位置”是“的确”在一条直线上,还是在一条抛物线上的呢,还有,所谓“在空间中”的运动在这里是什么意思呢?根据前一节的论述,就可以作出十分明白的答案.首先,我们要完全避开“空间”这一模糊的字眼,我们必须老实承认,对于“空间”一同,我们无法构成丝毫概念；因此我们代之以“相对于在实际上可看作刚性的一个参考物体的运动”.关于相对于参考物体（火车车厢或铁路路基）的位置,在前节中已作了详细的规定.如果我们引人“坐标系”这个有利于数学描述的观念来代替“参考物体”,我们就可以说,石块相对于与车厢牢固地连接在一起的坐标系走过了一条直线,但相对于与地面（路基）牢固地连接在一起的坐标系,则石块走过了一条抛物线借助于这一实例可以清楚地知道不会有独立存在的轨线（字面意义是“路程——曲线”）；而只有相对于特定的参考物体的轨线.
为了对运动作完整的描述,我们必须说明物体如何随时间而改变其位置；亦即对于轨线上的每一个点必须说明该物体在什么时刻位于该点上.这些数据必须补充这样一,个关于时间的定义,依靠这个定义,这些时间值可以在本质上看作可观测的量（即测量的结果）.如果我们从经典力学的观点出发,我们就能够举出下述方式的实例来满足这个要求.设想有两个构造完全相同的钟；站在车厢窗口的人拿着其中的一个,在人行道上的人拿着另一个.两个观察者各自按照自己所持时钟的每一声滴咯刻划下的时间来确定石块相对于他自已的参考物体所占据的位置.在这里我们没有计入因光的传播速度的有限性而造成的不准确性.对于这一点以及这里的另一个主要困难,我们将在以后详细讨论.
4．伽利略坐标系
如所周知,伽利略-牛顿力学的基本定律（称为惯性定律）可以表述如下：一物体在离其他物足够远时,一直保持静止状态或保持匀速直线运动状态.这个定律不仅谈到了物体的运动,而且指出了不违反力学原理的、可在力学描述中加以应用的参考物体或坐标系.相对于人眼可见的恒星那样的物体,惯性定律无疑是在相当高的近似程度上能够成立的.现在如果我们使用一个与地球牢固地连接在一起的坐标系,那么,相对于这一坐标系,每一颗恒星在一个天文日当中都要描画一个具有莫大的半径的圆,这个结果与惯性定律的陈述是相反的.因此,如果我们要遵循这个定律,我们就只能参照恒星在其中不作圆周运动的坐标系来考察物体的运动.若一坐标系的运动状态使惯性定律对于该坐标系而言是成立的,该坐标系即称为“伽利略坐标系”.伽利略-牛顿力学诸定律只有对于伽利略坐标系来说才能认为是有效的.
5．相对性原理（狭义）
为了使我们的论述尽可能地清楚明确,让我们回到设想为匀速行驶中的火车车厢这个实例上来.我们称该车厢的运动为一种匀速平移运动（称为“匀速”是由于速度和方向是恒定的；称为“平移”是由于虽然车厢相对于路基不断改变其位置,但在这样的运动中并无转动）.设想一只大乌鸦在空中飞过,它的运动方式从路基上观察是匀速直线运动.用抽象的方式来表述,我们可以说：若一质量M相对于一坐标系K作匀速直线运动,只要第二个坐标系K’相对于K是在作匀速平移运动,则该质量相对于第二个坐标系K’亦作匀速直线运动.根据上节的论述可以推出：
若 K为一伽利略坐标系,则其他每一个相对于K作匀速平移运动的坐标系K’亦为一伽利略坐标系.相对于K’,正如相对于K一样,伽利略-牛顿力学定律也是成立的.
如果我们把上面的推论作如下的表述,我们在推广方面就前进了一步：K’是相对于K作匀速运动而无转动的坐标系,那么,自然现象相对于坐标系K’的实际演变将与相对于坐标系K的实际演变一样依据同样的普遍定律.这个陈述称为相对性原理（狭义）.
只要人们确信一切自然现象都能够借助于经典力学来得到完善的表述,就没有必要怀疑这个相对性原理的正确性.但是由于晚近在电动力学和光学方面的发展,人们越来越清楚地看到,经典力学为一切自然现象的物理描述所提供的基础还是不够充分的.到这个时候,讨论相对性原理的正确性问题的时机就成熟了,而且当时看来对这个问题作否定的签复并不是不可能的.
然而有两个普遍事实在一开始就给予相对性原理的正确性以很有力的支持.虽然经典力学对于一切物理现象的理论表述没有提供一个足够广阔的基础,但是我们仍然必须承认经典力学在相当大的程度上是“真理”,因为经典力学对天体的实际运动的描述,所达到的精确度简直是惊人的.因此,在力学的领域中应用相对性原理必然达到很高的准确度.一个具有如此广泛的普遍性的原理,在物理现象的一个领域中的有效性具有这样高的准确度,而在另一个领域中居然会无效,这从先验的观点来看是不大可能的.
现在我们来讨论第二个论据,这个论据以后还要谈到.如果相对性原理（狭义）不成立,那么,彼此作相对匀速运动的K、K’、K”等一系列伽利略坐标系,对于描述自然现象就不是等效的.在这个情况下我们就不得不相信自然界定律能够以一种特别简单的形式来表述,这当然只有在下列条件下才能做到,即我们已经从一切可能有的伽利略坐标系中选定了一个具有特别的运动状态的坐标系（K）作为我们的参考物体.这样我们就会有理由（由于这个坐标系对描述自然现象具有优点）称这个坐标系是“绝对静止的”,而所有其他的伽利略坐标系K都是“运动的”,举例来说,设我们的铁路路基是坐标系K0,那么我们的火车车厢就是坐标系K,相对于坐标系K成立的定律将不如相对于坐标系K0成立的定’律那样简单.定律的简单性的此种减退是由于车厢K相对于K0而言是运动的（亦即“真正”是运动的）.在参照K所表述的普遍的自然界定律中,车厢速度的大小和方向必然是起作用的.例如,我们应该预料到,一个风琴的大小和方向必然是起作用的.例如,我们应该预料到,一个风琴管当它的轴与运动的方向平行时所发出的音调将不同于当它的轴与运动的方向垂直时所发出的音调.由于我们的地球是在环绕太阳的轨道上运行,因而我们可以把地球比作以每秒大约30公里的速度行驶的火车车厢.如果相对性原理是不正确3.的,我们就应该预料到,地球在任一时刻的运动方向将会在自然界定律中表现出来,而且物理系统的行为将与其相对于地球的空间取向有关.因为由于在一年中地球公转速度的方向的变化,地球不可能在全年中相对于假设的坐标系K0处于静止状态.但是,最仔细的观察也从来没有显示出地球物理空间的这种各向异性（即不同方向的物理不等效性）.这是一个支持相对性原理的十分强有力的论据.
6．经典力学中所用的速度相加定理
假设我们的旧相识,火车车厢,在铁轨上以恒定速度v行驶；并假设有一个人在车厢里沿着车厢行驶的方向以速度w从车厢一头走到另一头.那么在这个过程中,对于路基而言,这个人向前走得有多快呢?换句话说,这个人前进的速度W有多大呢?唯一可能的解答似乎可以根据下列考虑而得：如果这个人站住不动一秒钟,在这一秒钟里他就相对于路基前进了一段距离v,在数值上与车厢的速度相等.但是,由于他在车厢中向前走动,在这一秒钟里他相对于车厢向前走了一段距离儿也就是相对于路基又多走了一段距离w,这段距离在数值上等于这个人在车厢里走动的速度.这样,在所考虑的这一秒钟里他总共相对于路基走了距离W=v+w.我们以后将会看到,表述了经典力学的速度相加定理的这一结果,是不能加以支持的;换句话说,我们刚才写下的定律实质上是不成立的.但目前我们暂时假定这个定理是正确的.
7．光的传播定律与相对性原理的表面抵触
在物理学中几乎没有比真空中光的传播定律更简单的定律了,学校里的每个儿童都知道,或者相信他知道,光在真空中沿直线以速度c=300,000公里／秒传播.无论如何我们非常精确地知道,这个速度对于所有各色光线都是一样的.用力如果不是这样,则当一颗恒星为其邻近的黑暗星体所掩食时,其各色光线的最小发射值就下会同时被看到.荷兰天文学家德西特（De Sitter）根据对双星的观察,也以相似的理由指出,光的传播速度不能依赖于发光物体的运动速度.关于光的传播速度与其“在空间中”的方向有关的假定即就其本身而言也是难以成立的.
总之,我们可以假定关于光（在真空中）的速度c是恒定的这一简单的定律已有充分的理由为学校里的儿童所确信.谁会想到这个简单的定律竞会使思想周密的物理学家陷入智力上的极大的困难呢?让我们来看看这些困难是怎样产生的.
当然我们必须照一个刚体（坐标系）来描述光的传播过程（对于所有其他的过程而言确实也都应如此）.我们再次选取我们的路基作为这种参考系.我们设想路基上面的空气已经抽空.如果沿着路基发出一道光线,根据上面的论述我们可以看到,这道光线的前端将相对于路基以速度c传播现在我们假定我们的车厢仍然以速度v在路轨上行驶,其方向与光线的方向同,不过车厢的速度当然要比光的速度小得多.我们来研究一下这光线相对于车厢的传播速度问题.显然我们在这里可以应用前一节的推论,因为光线在这晨就充当了相对于车厢走动的人.人相对于路基的速度W在这晨由光相对于路基的速度代替.W是所求的光相对于车厢的速度.我们得到：
w=c-v
于是光线相对于车厢的传播速度就出现了小于的情况.
但是这个结果是与第5节所阐述的相对性原理相抵触的.因为,根据相对性原理,真空中光的传播定律,就象所有其他普遍的自然界定律一样,不论以车厢作为参考物体还是以路轨作为物体,都必须是一样的.但是,从我们前面的论述看来,这一点似乎是不可能成立的.如果所有的光线相对于路基都以速度c传播,那么由于这个理由似乎光相对于车厢的传播就必然服从另一定律——这是一个与相对性原理相抵触的结果.
由于这种抵触,除了放弃相对性原理或放弃真空中光的传播的简单定律以外,其他办法似乎是没有的.仔细地阅读了以上论述的读者几乎都相信我们应该保留相对性原理,这是因为相对性原理如此自然而简单,在人们的思想中具有很大的说服力.因而真空中光的传播定律就必须由一个能与相对性原理一致的比较复杂的定律所取代.但是,理论物理学的发展径.具有划时代意义的洛伦兹对于与运动物体相关的电动力学和光学现象的理论研究表明,在这个领域中的经验无可争辩地导致了关于电磁现象的一个理论,而真空中光速恒定定律是这个理论的必然推论.因此,尽管不曾发现与相对性原理相抵触的实验数据,许多著名的理论物理学家还是比较倾向于舍弃 相对性原理.
相对论就是这个关头产生的.由于分析了时间和空间的物理概念,人们开始清楚地看到,相对性原理和光的传播定律实际上丝毫没有抵触之处,如果系统地贯乇这两个定律,就能够得到一个逻辑严谨的理论.这个理论已称为狭义相对论,以区别于推广了的理论,对于广义理论我们将留待以后再去讨论.下面我们将叙述狭义相对论的基本观念.
7．光的传播定律与相对性原理的表面抵触
在物理学中几乎没有比真空中光的传播定律更简单的定律了,学校里的每个儿童都知道,或者相信他知道,光在真空中沿直线以速度c=300,000公里／秒传播.无论如何我们非常精确地知道,这个速度对于所有各色光线都是一样的.用力如果不是这样,则当一颗恒星为其邻近的黑暗星体所掩食时,其各色光线的最小发射值就下会同时被看到.荷兰天文学家德西特（De Sitter）根据对双星的观察,也以相似的理由指出,光的传播速度不能依赖于发光物体的运动速度.关于光的传播速度与其“在空间中”的方向有关的假定即就其本身而言也是难以成立的.
总之,我们可以假定关于光（在真空中）的速度c是恒定的这一简单的定律已有充分的理由为学校里的儿童所确信.谁会想到这个简单的定律竞会使思想周密的物理学家陷入智力上的极大的困难呢?让我们来看看这些困难是怎样产生的.
当然我们必须参照一个刚体（坐标系）来描述光的传播过程（对于所有其他的过程而言确实也都应如此）.我们再次选取我们的路基作为这种参考系.我们设想路基上面的空气已经抽空.如果沿着路基发出一道光线,根据上面的论述我们可以看到,这道光线的前端将相对于路基以速度c传播现在我们假定我们的车厢仍然以速度v在路轨上行驶,其方向与光线的方向同,不过车厢的速度当然要比光的速度小得多.我们来研究一下这光线相对于车厢的传播速度问题.显然我们在这里可以应用前一节的推论,因为光线在这晨就充当了相对于车厢走动的人.人相对于路基的速度W在这晨由光相对于路基的速度代替.W是所求的光相对于车厢的速度.我们得到：
w=c-v
于是光线相对于车厢的传播速度就出现了小于的情况.
但是这个结果是与第5节所阐述的相对性原理相抵触的.因为,根据相对性原理,真空中光的传播定律,就象所有其他普遍的自然界定律一样,不论以车厢作为参考物体还是以路轨作为物体,都必须是一样的.但是,从我们前面的论述看来,这一点似乎是不可能成立的.如果所有的光线相对于路基都以速度c传播,那么由于这个理由似乎光相对于车厢的传播就必然服从另一定律——这是一个与相对性原理相抵触的结果.
由于这种抵触,除了放弃相对性原理或放弃真空中光的传播的简单定律以外,其他办法似乎是没有的.仔细地阅读了以上论述的读者几乎都相信我们应该保留相对性原理,这是因为相对性原理如此自然而简单,在人们的思想中具有很大的说服力.因而真空中光的传播定律就必须由一个能与相对性原理一致的比较复杂的定律所取代.但是,理论物理学的发展径.具有划时代意义的洛伦兹对于与运动物体相关的电动力学和光学现象的理论研究表明,在这个领域中的经验无可争辩地导致了关于电磁现象的一个理论,而真空中光速恒定定律是这个理论的必然推论.因此,尽管不曾发现与相对性原理相抵触的实验数据,许多著名的理论物理学家还是比较倾向于舍弃 相对性原理.
相对论就是这个关头产生的.由于分析了时间和空间的物理概念,人们开始清楚地看到,相对性原理和光的传播定律实际上丝毫没有抵触之处,如果系统地贯乇这两个定律,就能够得到一个逻辑严谨的理论.这个理论已称为狭义相对论,以区别于推广了的理论,对于广义理论我们将留待以后再去讨论.下面我们将叙述狭义相对论的基本观念.
9．同时性的相对性
到目前为止,我们的论述一直是参照我们称之为“铁路路基”的一个特定的参考物体来进行的,假设有一列很长的火车,以恒速v沿着图1所标明的方向在轨道上行驶.在这列火车上旅行的人们可以很方便地把火车当作刚性参考物体（坐标系）：他们参照火车来观察一切事件.因而,在铁路线上发生的每一个事件也在火车上某一特定的地点发生,而且完全和相对于路基所作的同时性定义一样,我们也能够相对于火车作出同时性的定义.但是,作为一个自然的推论,下述问题就随之产生：

对于铁路路基来说是同时的两个事件（例如A、B两处雷击）,对于火车来说是否也是同时的呢,我们将直接证明,回答必然是否定的.
当我们说A、B两处雷击相对于路基页言是同时的,我们的意思是：在发生闪电的A处和B处所发出的光,在路基A→B这段距离的中点M相遇.但是事件A和B也对应于火车上的A点和B点.令M’为在行驶中的火车上A→B这段距离的中点.正当雷电闪光发生的时候,点M’自然与M重合,但是点M’以火车的速度v向图中的右方移动.如果坐在火车上M’处的一个观察者并不具有这个速度,那么他就总是停留在M点,雷电闪光A和B所发出的光就同时到达他这里,也就是说正好在他所在的地方相遇.可是实际上（相对于铁路路基来考虑）之个观察者正在朝着来自B的光线急速行进,同时他又是在来自A的光线的前方向前行进.因此这个观察者将先看见自B发出的光线,后看见自A发出的光线.所以,把列车当作参考物体的观察者就必然得出这样的结论,即雷电闪光B先于雷电闪光A发生.这样我们就得出以下的重要结果：
对于路基是同时的若干事件,对于火车并不是同时的,反之亦然（同时性的相对性）.每一个参考物体（坐标系）都有它本身的特殊的时间；除非我们讲出关于时间的陈述是相对于哪一个参考物体的,否则关于一个事件的时间的陈述就没有意义.
在相对论创立以前,在物理学中一直存在着一个隐含的假定,即时间的陈述具有绝对的意义,亦即时间的陈述与参考物体的运动状态无关.但是我们刚才看到,这个假定与最自然的同时性定义是不相容的；如果我们抛弃这个假定,那么真空中光的传播定律与相对性原理之间的抵触（详见第7节）就消失了.
这个抵触是根据第6节的论述推论出来的,这些论点现在已经站不住脚了.在该节我们曾得出这样的结论：在车厢里的人如果相对于车厢每秒走距离w,那么在每一秒钟的时间里他相对于路基也走了相同的一段距离.但是,按照以上论述,相对于车厢发生一特定事件的需要的时间,决不能认为就等于从路基（作为参考物体）上判断的发生同一事件所需要的时间.因此我们不能硬说在车厢里走动的人相对于铁路线走距离w所需的时间从路基上判断也等于一秒钟.
此外,第6节的论述还基于另一个假定.按照严格的探讨看来,这个假定是任意的,虽然在相对论创立以前人们一直在物理学中隐藏着这个假定.

到VeryCD上下载《爱因斯坦文集》，商务印书馆的，在第二卷有那篇《论运动物体的电动力学》

普通物理学1
一、伽利略相对性原理和经典力学时空观
惯性系：一个不受外力或外力合力为0的物体，保持静止或匀速直线运动不变，这样的参考系，叫惯性参考系，简称惯性系。
（新想法：如果认识到非贯性系力产生的原因，在进行物理实验时将此力（惯性力）一并计算，那么就与跳出非惯性系，在惯性系中实验得到一样的结论，就可以把非惯性系当成惯性系对待——这与广义相对论的相对性原理是类似的）

全部展开

普通物理学1
一、伽利略相对性原理和经典力学时空观
惯性系：一个不受外力或外力合力为0的物体，保持静止或匀速直线运动不变，这样的参考系，叫惯性参考系，简称惯性系。
（新想法：如果认识到非贯性系力产生的原因，在进行物理实验时将此力（惯性力）一并计算，那么就与跳出非惯性系，在惯性系中实验得到一样的结论，就可以把非惯性系当成惯性系对待——这与广义相对论的相对性原理是类似的）
一切彼此作匀速直线运动的惯性系，对于描写机械运动的力学规律来说是完全等价的，在一个惯性系的“内部”所作的任何力学实验，都不能确定这一惯性系本身是在静止状态，还是在作匀速直线运动。这个原理叫力学相对性原理，或伽利略相对性原理。
牛顿说：“绝对的、真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀地、与任一外界对象无关地流逝着。”“绝对空间，就本性而言，与外界任何事物无关，而永是相同的和不动的。”（见牛顿著作《自然哲学的数学原理》）
二、狭义相对论的提出背景
在19世纪末，人们知道光速是有限的，在测量光速时发现，木星卫星发出的光，到达地球的时间是相同的，而不管地球是朝向卫星运动还是背向卫星运动。这不符合物体运动的速度叠加原理（A参照系相对于B参照系速度为v1,A上发出相对A速度为V2的物体，物体相对于B速度为V1+V2），而符合波的性质，因为当时已知的所有波都有介质，因此人们假设光也有介质，定名为“以太”，光在以太中稳定传播，所以与地球的运动无关。
由于地球并非宇宙中的特殊天体，以太应该对地球有相对运动，而著名的迈克耳孙（A.A.Michelson）和莫雷（E.W.Morley）实验证明了相对地球运动的以太不存在，也就是说，如果存在以太，以太就是对地球静止的，这里和一些人认为的证明了以太不存在，叙述上有一点点区别。
1905年，爱因斯坦提出两条假设：
1。相对性原理：物理学在一切惯性参考系中都具有相同的数学表达形式，也就是说，所有惯性系对于描述物理现象都是等价的。（够绝对的）
2。光速不变原理：在彼此相对作匀速直线运动的任一惯性参考系中，所测得的光在真空中的传播速度都是相等的。
1964年到1966年，欧洲核子中心（CERN）在质子同步加速器中作了有关光速的精密实验测量，直接验证了光速不变原理。实验结果是，在同步加速器中产生的一种介子（写法是派的0次方）以0.99975c的高速飞行，它在飞行中发生衰变，辐射出能量为6000000000eV的光子，测得光子的实验室速度仍是c。
三、狭义相对论时空观
狭义相对论为人们提出了一个不同于经典力学的时空观。按照经典力学，相对于一个惯性系来说，在不同的地点、同时发生的两个事件，相对于另一个与之作相对运动的惯性系来说，也是同时发生的。但相对论指出，同时性问题是相对的，不是绝对的。在某个惯性系中在不同地点同时发生的两个事件，到了另一个惯性系中，就不一定是同时的了。经典力学认为时空的量度不因惯性系的选择而变，也就是说，时空的量度是绝对的。相对论认为时空的量度也是相对的，不是绝对的，它们将因惯性系的选择而有所不同。所有这一切都是狭义相对论时空观的具体反映。
同时的相对性
现举一个假想实验，一列匀速运动的火车，车头和车尾分别装有两个标记A1、B1当他们分别与地面上的两个标记A、B重合时，各自发出一个闪光。在A、B的中点C和A1、B1的中点C1，各装一个接受器，C点将同时接收到两端的信号，而信号传递需要时间，在这段时间内火车向前运动了，所以C1先收到车头的信号，后收到车尾的信号。也就是说，不同的参照系没有认为两个事件都是同时发生的。“同时”有相对性。
四、洛伦兹坐标变换
洛伦兹公式是洛伦兹为弥补经典理论中所暴露的缺陷而建立起来的。洛伦兹是一位理论物理学家，是经典电子论的创始人。
坐标系K1（O1，X1，Y1，Z1）以速度V相对于坐标系K（O，X，Y，Z）作匀速直线运动；三对坐标分别平行，V沿X轴正方向，并设X轴与X1轴重合，且当T1=T=0时原点O1与O重合。设P为被“观察”的某一事件，在K系中观察者“看”来。它是在T时刻发生在（X，Y，Z）处的，而在K1系中的观察者看来，它是在T1时刻发生在（X1，Y1，Z1）处的。这样的两个坐标系间的变换，我们叫洛伦兹坐标变换。
在推导洛伦兹变换之前，作为一条公设，我们必须假设时间和空间都是均匀的，因此它们之间的变换关系必须是线性关系。如果方程式不是线性的，那么，对两个特定事件的空间间隔与时间间隔的测量结果就会与该间隔在坐标系中的位置与时间发生关系，从而破坏了时空的均匀性。例如，设X1与X的平方有关，即X1=AX^2，于是两个K1系中的距离和它们在K系中的坐标之间的关系将由X1a-X1b=A(Xa^2-Xb^2）表示。现在我们设K系中有一单位长度的棒，其端点落在Xa=2m和Xb=1m处，则X1a-X1b=3Am。这同一根棒，其端点在Xa=5m和Xb=4m处，则我们得到X1a-X1b=9Am。这样，对同一根棒的测量结果将随棒在空间的位置的不同而不同。为了不使我们的时空坐标系原点的选择与其他点相比较有某种物理上的特殊性，变换式必须是线性的。
先写出伽利略变换：X=X1+VT1； X1=X-VT
增加系数k，X=k(X1+VT1)； X1=k1(X-VT)
根据狭义相对论的相对性原理，K和K1是等价的，上面两个等式的形式就应该相同（除正负号外），所以两式中的比例常数k和k1应该相等，即有k=k1。
这样， X1=k（X-VT）
为了获得确定的变换法则，必须求出常数k，根据光速不变原理，假设光信号在O与O1重合时（T=T1=0）就由重合点沿OX轴前进，那么任一瞬时T（由坐标系K1量度则是T1),光信号到达点的坐标对两个坐标系来说，分别是 X=CT； X1=CT1
XX1=k^2 (X-VT)(X1+VT1)
C^2 TT1=k^2 TT1(C-V)(C+V)
由此得
k= 1/ (1-V^2/C^2)^(1/2)
于是
T1=(T-VX/C^2) / (1-V^2/C^2)^(1/2)
T= (T1+VX/C^2)/ (1-V^2/C^2)^(1/2)
爱因斯坦假设：
1．物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。
2．任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度c运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。”

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