狭义相对论(狭义相对论简单解释)

生活中，有很多朋友觉得狭义相对论(狭义相对论简单解释)很难弄明白，那么我们到底要如何解决这个问题呢，今天小编就带来大家看看，希望可以帮助各位。

狭义相对论(狭义相对论简单解释)

相对于难懂的广义相对论，爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论并没有我们想象的那么难，那么狭义相对论讲的是什么？今天我就用通俗易懂的方式带大家了解一下！

狭义相对论提出的背景

1687年，牛顿出版了《自然哲学的数学原理》，标志着经典力学的建立。牛顿的经典力学在很长一段时间里成为物理学家心目中的圣经和权威。

牛顿经典力学的核心是伽利略变换，伽利略变换是经典力学中使用的在两个仅以平均速度相对运动的参考系之间进行变换的方法，属于动力学变换。伽利略变换构建了经典力学的时空观。

伽利略变换认为，在同一个参照系中，两个事件同时发生，在其他惯性系中，两个事件也必然同时发生。时间间隔的度量是绝对的，长度的度量也是绝对的。经典力学定律的数学形式在任何惯性系中都保持不变，换句话说，所有惯性系都是等价的(相对性原理)。

所以我们会说，伽利略变换构建了经典力学中的绝对时空概念。时间和空间都与参考系的运动状态无关，时间和空间是绝对的。也就是说，空间和时间与物体的运动状态无关！

在经典力学的影响下，物理学家认为宇宙中到处都存在一种叫做以太的物质，因为在经典力学中，有两个力的概念。一个是接触力(如碰撞、压力或张力)，另一个是远处部件施加的力(如重力)。在当时的概念里，除了直接接触产生的功能，似乎不应该有其他功能。

根据这一思路，人们试图用接触力来解释牛顿的距离力，即认为距离力实际上是由充满空间的介质传递的，传递方式取决于这种介质的运动或其弹性变形。这样，以太假说就提出来了。

他们普遍认为以太是光传播的介质，引力甚至电和磁都在以太中传播，从而发展了“光以太”的假说。

此外，物理学家将这个无处不在的“以太”视为绝对惯性系，在其他参考系中测得的光速是以太中光速与观察者所在参考系相对于以太参考系的速度的矢量叠加。

举个简单的例子，如果你在火车上跑步，在你的朋友看来，你的速度=火车的速度+你在车上的速度。在这个理论中，速度是可以叠加的，但是如果你的朋友在一辆速度相同的火车上看着你，那么你的速度就是你在车上跑的速度。

所以在其他参考系中测得的光速是以太中的光速和观察者的参考系相对于以太参考系的速度的矢量叠加。就是这个道理，也就是说，光速会随着参照系的不同而不同。

但后来，麦克斯韦创立了电磁理论，实现了物理学的第一次统一。麦克斯韦方程奠定了电动力学的基石，但它与牛顿的经典力学相矛盾。麦克斯韦电动力学的一个结果是，光速在不同的惯性系中是恒定的，电光的速度不需要相对于某一个参考系。在任何惯性参考系中，光速都是3×108米/秒

这个结果与经典力学的伽利略变换相矛盾。如果应用伽利略变换来描述电磁现象的麦克斯韦方程组，我们会发现它的形式不是常数，也就是说光速不是一个定值，也就是说麦克斯韦方程组或者电磁现象的定律在伽利略变换下不满足相对性原理。

我们可以从麦克斯韦方程组得到电磁波的波动方程，从波动方程得到真空中的光速是一个常数。按照经典力学的时空观，这个结论只应该在一个特定的惯性参照系中成立，这个参照系就是以太。但是电磁理论表明，光速在任何情况下都是恒定的，这就意味着以太的绝对惯性系是不存在的。

一句话:电磁现象遵循的麦克斯韦方程组不服从伽利略变换，导致了经典力学的危机。

物理学家对经典力学的修补

为了否定电磁理论，捍卫经典力学的权威。许多物理学家开始试图证明以太的存在。方法之一是通过寻找光以太相对于地球的运动来证明光以太的存在。

著名的实验物理学家迈克尔逊和莫利利用干涉仪发现了光以太相对于地球的运动。这就是著名的迈克尔逊-莫利实验。

这个实验的目的是检测光以太对地球的漂移速度，从而证明以太的存在。因为在经典力学中，以太代表的是绝对静止的参考系，地球在太空中穿过以太的运动相当于一艘船在高速行驶，一股强烈的“以太风”就会迎面吹来。如果能测出以太与地球的相对速度，即以太的漂移速度，就能证明以太的存在。

以太风

迈克尔逊在1881年做了他的第一个实验，试图测量这个相对速度，但结果不是很令人满意。于是他与另一位物理学家莫雷合作，在1886年安排了第二次实验。这可能是当时物理学史上最复杂的实验。他们使用了最新的干涉仪。为了提高系统的灵敏度和稳定性，他们甚至多方筹集资金，弄了一块大石板，放在水银槽上。这样，干扰因素就降到了最低。

梅尔克的实验

然而，实验结果却让他们无比震惊和失望:两束光根本没有显示出任何时间差。以太似乎对通过它的光没有影响。测量地球相对于以太参照系的速度是不可能的。地球并不相对于以太运动。此后，其他一些实验也获得了同样的结果。迈克尔逊和莫雷连续四天不愿意观察，情况也是如此。迈克尔逊和莫雷甚至想连续观测一年，以确定地球围绕太阳运行的轨道在四季中造成的以太风的差异。但是因为否定的结果是如此清晰，不容置疑，所以这个计划被不情愿地取消了。

随着迈克尔逊-莫雷实验的失败，证明以太存在，捍卫经典力学权威的想法破产了。

这时，著名物理学家洛伦茨在承认光速与参照系无关的情况下，为了挽救以太假说，抛弃了空间间隔和时间间隔与参照系无关的绝对概念。在他看来，常驻以太网参照系是基本参照系，时间均匀流逝，空间均匀各向同性。任何实际的参照系都是相对于这个基本参照系运动的。

根据他的假设，当观察者相对于以太以一定速度运动时，长度在运动方向上收缩，抵消了不同方向上光速的差异。

洛伦兹变换在一定程度上上调了经典力学与电动力学的矛盾，赋予了伽利略变换一个合适的场，因此可以解释为什么麦克斯韦方程组或电磁现象在伽利略变换下的定律不符合相对性原理。

但是洛伦兹变换是为了挽救错误的以太假设而提出的，在调和经典力学和电动力学的矛盾方面还存在很多问题。在相对论之前，洛伦兹从绝对静止以太的概念出发，考虑物体运动收缩的物质过程，得到洛伦兹变换。在洛伦兹理论中，变换引入的量只是作为数学中的一种辅助手段，并不包括相对论的时空观。

因此，经典力学的危机并没有解除。这时，爱因斯坦出现了！

爱因斯坦提出了狭义相对论，诞生新的时空观

爱因斯坦意识到解决这种不一致的关键是同时性的定义。爱因斯坦认为，既然光速是恒定的，那么以太就没有理由作为一个静止的参照系而存在。因此静态参照系以太被抛弃，1905年爱因斯坦发表了题为《论运动物体的电动力学》的论文，在光速不变原理和狭义相对论原理的基本假设基础上，建立了不同于牛顿时空观的新的平直时空理论。这就是众所周知的狭义相对论。

狭义相对论原理:所有物理定律(力学、电磁学等相互作用的动力学定律除外)在所有惯性系中都成立；换句话说，在洛伦兹变换下，所有物理定律(除了引力)的方程都不变。不同时间进行的实验给出了相同的物理定律，这是相对性原理的实验基础。

光速不变原理:光在真空中总是以一定的速度c传播，速度与光源的运动状态无关。在真空中的各个方向，光信号的传播速度(即单向光速)都是一样的(即光速是各向同性的)；光速与光源的运动状态和观测者的惯性系无关。这个原理与经典力学不相容。有了这个原理，我们就可以准确定义不同地方的同时性。

爱因斯坦以事实为基础的观察，重在修改运动、时间、空间等基本概念，重新推导洛伦兹变换，赋予洛伦兹变换全新的物理内容来解释迈克尔逊-莫雷实验和光速不变。爱因斯坦的洛伦兹变换指的是纯数学的空间缩短，不再是组成测杆的带电粒子的距离缩短。此外，这种空间的缩短没有实质性的物理意义。

在狭义相对论中，洛伦兹变换是最基本的关系，狭义相对论的运动学结论和时空性质，如同时性的相对性、长度收缩、时间延迟、速度变换公式和相对论多普勒效应，都可以从洛伦兹变换中直接得到。

根据光速不变的原理，光速相对于任何惯性参考系都有相同的值。基于光速不变和相对性原理，

在狭义相对论中，空间和时间不是相互独立的，而是一个统一的四维时空整体，不同惯性参考系之间的变换关系在数学表述上与洛伦兹变换一致。

这样一来，经典力学和电动力学的矛盾就完全调和了。如果速度v远小于光速с，被观察物体的运动速度也远小于光速，那么洛伦兹变换就好比伽利略变换近似。对于日常的力学现象，可以用伽利略变换。但对于运动物体的电磁现象，虽然物体的运动速度远小于光速，但仍必须使用洛伦兹变换，因为电磁相互作用的传播速度是光速。

所以伽利略变换明显成立的公式在物体以接近光速的速度运动时就不成立，或者电磁过程不成立，这是相对论效应造成的。爱因斯坦的狭义相对论将经典力学和电磁场理论划分到各自的应用领域。一旦超过这个范围，就不再适用。

总之，爱因斯坦在光速不变原理和狭义相对论原理的基本假设基础上，提出了以洛伦兹变换为核心的狭义相对论，解决了经典力学的危机，提出了全新的时空观。

牛顿的时空观认为时间和空间是绝对的，也就是说时间和空间与物质运动和参照系无关；空间和时间也是相互独立的，空间的度量与时间无关，时间的度量与空间无关，同时性是绝对的。牛顿的时空观体现在伽利略变换中。

狭义相对论的时空观认为，时间、空间和运动有着千丝万缕的联系；时间和空间的度量是相对的。不同的惯性系没有共同的同时性和相同的时空测量。比如时间延迟是一个相对效应；时间的流逝不是绝对的，运动会改变时间的进程(你可以把这句话简单理解为你的运动状态会对你的生活产生影响)；长度收缩是空间的属性，是相对效果。