狭义相对论

狭义相对论（Special Theory of Relativity）是阿尔伯特·爱因斯坦在1905年发表的题为 《论动体的电动力学》一文中提出的区别于牛顿时空观的新的平直时空理论。“狭义”表示它只适用于惯性参考系。这个理论的出发点是两条基本假设：狭义相对性原理和光速不变原理。理论的核心方程式是洛伦兹变换（群）（见惯性系坐标变换）。狭义相对论预言了牛顿经典物理学所没有的一些新效应（相对论效应），如时间膨胀 、长度收缩、横向多普勒效应、质速关系、质能关系等。狭义相对论已经成为现代物理理论的基础之一：一切微观物理理论（如基本粒子理论）和宏观引力理论（如广义相对论）都满足狭义相对论的要求。这些相对论性的动力学理论已经被许多高精度实验所证实。
狭义相对论不仅包括如时间膨胀等一系列推论，而且还包括麦克斯韦－赫兹方程变换等。狭义相对论需要使用引入张量的数学工具。
狭义相对论是对艾萨克·牛顿时空理论的拓展，要理解狭义相对论就必须理解四维时空 ，其数学形式为闵可夫斯基几何空间。
现在对于物理理论新的分类标准，是以其理论是否是决定论来划分经典与非经典的物理学，非量子理论都可以叫经典或古典理论。在此意义上，狭义相对论仍然是一种经典的理论。
狭义相对性原理
一切物理定律（除引力外的力学定律、电磁学定律以及其他相互作用的动力学定律）在所有惯性系中均有效；或者说，一切物理定律（除引力外）的方程式在洛伦兹变换下保持形式不变。不同时间进行的实验给出了同样的物理定律，这正是相对性原理的实验基础。
光速不变原理
光在真空中总是以确定的速度c传播，速度的大小同光源的运动状态无关。在真空中的各个方向上，光信号传播速度（即单向光速）的大小均相同（即光速各向同性）；光速同光源的运动状态和观察者所处的惯性系无关。这个原理同经典力学不相容。有了这个原理，才能够准确地定义不同地点的同时性。
验证狭义相对论的实验大体上分为六大类：
①相对性原理的实验检验
②光速不变原理的实验检验
③时间膨胀实验
④缓慢运动媒质的电磁现象实验
⑤相对论力学实验
⑥光子静止质量上限的实验
关于相对性原理的实验检验，电动力学和光学的很多例子，特别是运动物体的电磁感应现象，都是很有说服力的，不再赘述，着重说明其余五大类的验证实验。
光速不变性的实验
首先，同光速不变原理有关的大量实验已经证明，真空中光速同光源的运动速度和惯性运动状态无关。定量的测量表明，真空中平均回路光速с是一个常数，约为每秒30万千米（с的精确测量值见基本物理常数）。这类实验中，最著名的是迈克耳孙－莫雷实验。这个实验是在相对论出现之前很久的1881年首先由A.迈克耳孙完成的。1887年迈克耳孙和E.莫雷又用干涉仪以更高的精度重新做了观测。这个实验的目的是测量地球相对于以太的运动速度。但实验结果同以太论的预言相矛盾。狭义相对论建立之后，这个实验就被看成是光速不变原理和狭义相对性原理以及否定以太论的重要实验基础。还要说明一点，现有的实验（包括迈克耳孙－莫雷实验）并没有证明光速是否同方向无关。引入光速同方向无关的假定是为了定义不同地点的事件的同时性，在没有其他方法确定这种同时性之前，光速是否同方向无关是无法用实验判断的。
多普勒频移观测
多普勒频移的观测，最高精度已达到 0.5%；对介子寿命的观测，精度约达0.4%；用原子钟做的实验精度较低，约10%。这些实验的结果都同相对论的预言符合。
时间膨胀实验
在原子钟环球航行的实验中，虽然飞机速度远小于光速，但由于测量精度很高，仍然观测到了时间膨胀的相对论效应。
运动介质电磁现象
观测运动介质对光速影响的实验主要是斐索类型的实验。这个实验最初是A.斐索在1851年完成的，证明了运动介质中的光速同静止介质中的光速不同，而且其差异和爱因斯坦速度相加公式的预言相符。通常把这种现象称为“斐索效应”。近年来做的这类实验中，运动介质的运动方向包括了同光线方向垂直或成布儒斯特角等各种情况，其结果也都同狭义相对论速度相加公式的预言相符。
相对论力学实验
包括质速关系（惯性质量随物体运动速度的变化）和质能关系（即E=mс2关系）。质速关系是用电子和质子做的，事实上各种高能质子加速器和电子加速器的设计建造都验证了质速关系。质能关系主要是通过核反应来进行检验，精度达到了百万分之三十五。荷电粒子的电磁偏转实验、回旋加速器的运转、高速粒子飞行时间的测量、原子光谱精细结构分裂的解释等都为质速关系提供了证据。原子能发电、原子弹和氢弹的实现都以质能关系为理论基础。
光子静质量实验
有关电子静止质量的实验都没有观察到光子有静质量，因此只给出了光子静质量的上限。对库仑定律的检验给出的上限是 1.6×10－47克，根据银河系旋臂磁场范围对光子静质量上限做的估计约为10－59克。
除了上述六类主要的实验外，还有其他形式的实验。所有这些实验都没有观察到同狭义相对论有什么矛盾。此外，狭义相对论在相对论性量子力学、量子场论、粒子物理学、天文学、天体物理学、相对论性热力学和相对论性统计力学等领域中的成功应用，也都为它的正确性提供了丰富的证据。
虽然狭义相对论在理论的逻辑结构和形式上是很优美的，在实验上已有了非常牢固的基础，但人们仍对它不断深入进行研究：理论方面，探讨它在新领域中的应用；实验方面，使用新的观测方法和提高了测量精度的方法，更精密地检验它的正确性。此外还有不少实验试图观察超光速现象，但并没有得到令人信服的结果。
理论意义
爱因斯坦的哲学信念：整个自然界是统一的、和谐的。他吸取了D.休谟对先验论、E.马赫对“绝对时空”概念的批判成果。其中马赫哲学对爱因斯坦影响最大。马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关，时空观念是通过经验形成的 ，“绝对时空”没有经验根据。马赫据此对牛顿的“绝对时间”和“绝对空间”进行批判，否定“绝对时空”概念，并认为时间测量依赖于参考系。爱因斯坦从考察两个在空间上分隔开的事件的“同时性”入手，否定了“同时性” 的绝对性及其有关的“绝对时间”概念，从而也否定了“绝对空间”概念以及实质上被当作绝对空间的“以太”的存在。爱因斯坦认为不存在绝对静止的参考系，麦克斯韦－洛伦兹的电动力学方程是正确的，物体在惯性系中运动定律不变的假设导致光速不变的概念。
相对论中的光速不变性可以从理论上由麦克斯韦方程组得出：c=1/(ε0μ0)1/2，光速由真空介电常数ε0与磁导率μ0决定，是一个不变的常数，并且不依赖于参考系的选择。光速不变原理是宇宙时空对称性的体现。
狭义相对论不但可以解释经典物理学所能解释的全部物理现象，还可以解释一些经典物理学所不能解释的物理现象，并且预言了不少新的效应。它导致了光速是极限速度，导致了不同地点的同时性只有相对意义，预言了长度收缩和时钟变慢，给出了爱因斯坦速度相加公式、质量随速度变化的公式和质能关系。此外，按照狭义相对论，光子的静止质量必须是零。
狭义相对论把力学和电磁学在运动学的基础上统一起来，揭示了作为物质存在形式的空间和时间在本质上的统一性以及同物质运动的联系。狭义相对论的时空观，通过H.闵可夫斯基的工作得到重大发展。闵可夫斯基于1907年提出了空时四维表述形式，即在通常的空间三个坐标以外，引进第四个以光速和时间的乘积为尺度的虚坐标，这样就可以方便地用四维空间中的几何图形来表示事件（称为“世界点”）及其变化过程（称为“世界线”）。在闵可夫斯基空间中，原来三维空间的距离和时间的间隔两者各自独立的不变性虽然不再成立，但两者的结合体仍然是不变的。因此，他把这一观点称为“绝对世界的假设”。
爱因斯坦根据狭义相对论导出质量和能量的相当性（等价性），即物体的质量（m）是它所含能量（E）的量度：E=mc2（c为真空中的光速），这就加深并发展了物质和运动的不可分离性原理。揭示了质量和能量是等价的 ，在本质上是同一的，证明自然界之间存在深刻的内在联系和统一性。按照狭义相对论的四维表示 ，能量和动量结合成一个量，即“能量－动量矢量（张量）”，动量是这个四维张量的空间分量，能量则是它的时间分量 。这样 ，动量守恒定律和能量守恒定律就结合成一个统一的能量－动量守恒定律。
狭义相对论的提出给物理学带来了革命性的变化，更新了人们的世界观，为广义相对论的诞生奠定了坚实的基础，改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时性的相对性”、“四维时空”等全新的概念。
狭义相对论的创立不仅引起了物理学的变革，而且对现代哲学产生了深远的影响。它提出的新的时空观、物质观和运动观，极大的发展了科学的自然观。
理论局限
狭义相对论的建立，对物理学起了巨大的推动作用，并且深入到量子力学的范围，成为研究高速粒子不可缺少的理论，并取得了丰硕的成果。但是有两个原则性的根本问题未能解决。第一个是定义惯性系引起的困难。由于否定了“绝对时空”，惯性参考系（惯性系）成了无法定义的概念。如果惯性系是指牛顿第二定律在其中成立的参考系，那么只有在惯性系中牛顿第二定律才能成立，从而陷入“逻辑循环”，整个理论如同建筑在沙滩之上。第二个是万有引力引起的困难。万有引力定律与“绝对时空”紧密相连，必须加以修正，但其在洛伦兹变换下不具有协变性 ，因此无法纳入狭义相对论的框架。直至广义相对论建立之后，问题才得以彻底解决。