通俗理解狭义相对论的两个基本原理

有关“场”的理论，之所以在20世纪被人们广泛接受并得到迅速发展，完全是因为麦克斯韦电磁场理论经受住了各种考验，立住了脚。

而当电磁场理论受到伽利略相对性原理的挑战险些崩溃时，正是爱因斯坦的相对论使之化险为夷。因为相对论，电磁场理论不仅能够成立，而且还能描述高速运动现象。所以我们在讨论场时，不能忽视狭义相对论的两个基本原理。

创立狭义相对论的背景

人们从传统的时间、空间和运动的观念出发，看到电磁现象是不服从伽利略相对性原理的（牛顿力学的核心虽然是绝对时空观，但牛顿依然承认伽利略的相对性原理，因为牛顿认为绝对时空观说的是空间本身，并不指个体的运动）。确切地说，麦克斯韦方程组是不满足伽利略不变性的。于是人们引进超物质的“以太”作为绝对运动的标准（当时，人们认为牛顿的绝对时空观不应仅指空间本身，还应包括个体的运动，宇宙中是不存在相对性原理的）。

然而，当人们设法测量地球相对以太的运动速度时（这个测量就是著名的迈克耳逊-莫雷的“以太漂移”实验），却得到相互矛盾的结果。这些结果与传统观念尖锐对立，各种调和这些矛盾的企图都归于失败。这就使人们想到，在力学实验中无法观察到的绝对坐标，在电磁试验中也是无法观察到的。德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦首先认识到这一点。

他认为应该彻底放弃以太假说以及随之而来的绝对静止和绝对运动的观点，重新回到相对性原理。他认为电磁现象和力学现象一样服从相对性原理，对电磁现象而言，只是体现力学相对性原理的伽利略变换必须修改，而代替它的是承认光速不变的洛伦兹变换，这是因为麦克斯韦方程组服从相对性原理的先决条件乃是光速不变。换句话说，在麦克斯韦方程组中，光速与光的传播方向无关。

可是按照以太理论来看，在地球上的电磁现象满足麦克斯韦方程租这个事实，表明地球相对以太的运动速度很小，否则就能看到地球上的光速与光的前进方向有关的事实。19世纪末的人认为，在相对以太高速运动的坐标系中，电磁场方程远比麦克斯韦方程复杂。这种看法表明，在地球上观察到光速与前进方向无关，只是由于地球相对以太运动的速度很小这个偶然性导致的。而爱因斯坦则认为，不论在实验室还是在太阳系，光速在任意方向上都等于C，这不是一个偶然现象。1905年，爱因斯坦发表了相对论的第一篇论文《论运动物体的动力学》，否定了以太假说，提出了狭义相对论的两个基本原理：

狭义相对论的两个基本原理

一，光速不变原理：真空中的光速在各个惯性系中都等于C。

二，相对性原理：所有物理学规律的形式，在相对做匀速直线运动的惯性系中是相同的。

这两个原理是互相独立的，光速不变原理是相对性原理的先决条件。在光速不变原理的基础上，爱因斯坦定义了“同时”这个概念，并且给它一个精确的测量上的意义。比如说，空间有两件事“同时”分别在A、B两点发生，究竟怎样具体地用观察手段来证明它们是“同时”的呢？一个最精密的方法使用光来测量。可以在AB的中点放置两个反射镜和一个望远镜，使A、B两点射来的光线重合的进入望远镜里。当A、B两处的两个事件“同时”发生时，可以从望远镜里看到两个事件的重叠景象，这样就可确定它们是否真的“同时”。其根据是在惯性系中光的前进速度恒定不变，而且与传播方向无关的原理。这样定义的“同时”的概念，就只具有相对的意义。

正如爱因斯坦在论文中指出的那样：“我们不能给予同时性这个概念以任何绝对的意义；两个事件从一个坐标系看来是同时的，而从另一个相对这个坐标系运动着的坐标系来看，它们就不能再被认为是同时的事件了。”

由于经典的时空观是建立在绝对时间的基础之上的，这一基础的破坏便导致许多日常时空观的破坏。

例如运动长度的收缩。当一根棍子在运动的时候，测量其长度就必须小心，一定要同时测量棍子两端的坐标，两端坐标的差值才是棍子的长度。由于“同时”是相对的，这样测出的运动长度在不同的惯性系中就不相同。一根做匀速直线运动的棍长取决于它相对于参考系的速度，在相对运动的方向上会按由洛伦兹变换公式确定的比例缩短。这种收缩是一种运动学效应，即它是由于被测量物体相对观察者的运动状态不同而导致的。同样的运动学效应还有运动时钟的变慢。一个相对于参考系匀速运动的钟，比这个钟相对静止时要走的慢一些，其变慢的比例也是由洛伦兹变换公式确定的。从收缩比例很容易看出，在棍子或时钟的速度接近于光速的极端情况下，收缩比例会变得无穷大，棍子的长度会缩到几近于零，时钟会变得像停住了一样；如果速度远远小于光速，那么棍子几乎不收缩，时钟也几乎不变慢。因此，我们日常世界的物质运动一般都显示不出这种相对论效应。可见，经典的时空观念，只是客观世界的近似描写。相对论时空观最基本的特点，就是通过光的传播把时间、空间和运动联系起来，从而解释了时空的基本属性。

对洛伦兹变换的两种不同解读

经典力学中两个惯性系之间的时空坐标是通过伽利略变换来联系的，力学规律在伽利略变换下形式不变。相应地在相对论时空观念里，不同惯性系之间关于时间与空间坐标的关系是由洛伦兹变换来描写。在低速近似的情况下，洛伦兹变换能还原为伽利略变换。有趣的是，洛伦兹变换首先是由荷兰物理学家洛伦兹在相对论建立以前就得到了。