相比起艱澀難懂的廣義相對論，愛因斯坦在 1905 年提出的狹義相對論其實并沒有像我們想象的艱深，那么狹義相對論究竟講的是什么呢？今天我就用通俗易懂的方式帶大家了解一下！

狹義相對論提出的背景

1687 年，牛頓發(fā)表了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，標志著經(jīng)典力學(xué)的建立，牛頓經(jīng)典力學(xué)在很長時間里都成為了物理學(xué)家心中的圣經(jīng)與權(quán)威。

牛頓的經(jīng)典力學(xué)的核心是伽利略變換，伽利略變換是經(jīng)典力學(xué)中用以在兩個只以均速相對移動的參考系之間變換的方法，屬于一種被動態(tài)變換。伽利略變換構(gòu)建了經(jīng)典力學(xué)的時空觀。

伽利略變換認為，在同一參照系里，兩個事件同時發(fā)生，在其他慣性系里，兩個事件也一定同時發(fā)生，時間間隔的測量是絕對的，長度測量也具有絕對性，經(jīng)典力學(xué)定律在任何慣性參考系中數(shù)學(xué)形式不變，換言之，所有慣性系都是等價的（相對性原理）。

所以我們才會說伽利略變換構(gòu)建了經(jīng)典力學(xué)中的絕對時空觀，時間和空間均與參考系的運動狀態(tài)無關(guān)、時間和空間是不相聯(lián)系的，是絕對的。也就是說空間、時間與物體的運動狀態(tài)無關(guān)！

受經(jīng)典力學(xué)的影響，物理學(xué)家認為宇宙到處都存在著一種稱之為以太的物質(zhì),因為在經(jīng)典力學(xué)里，曾經(jīng)有兩種力的概念存在．一種是接觸力(如碰撞、壓力或拉力等勒，另一種是超距件用力（如重力），在當(dāng)時的觀念里，似乎除了由直接接觸所產(chǎn)生的那些作用之外不應(yīng)有別的作用。

按照這樣的觀念，人們曾試圖以接觸作用力來解釋牛頓的超距作用力，即認為超距作用力實際上是靠充滿空間的媒質(zhì)來傳遞的，傳遞方式或是靠這種媒質(zhì)的運動，或是靠她的彈性形變．這樣，便提出了以太假說。

他們普遍認為以太是傳播光的媒介，引力甚至電、磁力是在以太中傳播的，由此發(fā)展了“光以太”假說。

除此之外，物理學(xué)家將這種無處不在的“以太”看作絕對慣性系，其她參照系中測量到的光速是以太中光速與觀察者所在參照系相對以太參照系的速度的矢量疊加。

舉一個簡單的例子，你在火車上跑，那么你的小伙伴看來，你的速度_火車的速度+你在車上的速度發(fā)現(xiàn)沒有，在這個理論當(dāng)中，速度是可以疊加的，但是如果你的小伙伴在一輛速度相同的火車上看你，那么你的速度就是你在車上奔跑的速度。

所以其她參照系中測量到的光速是以太中光速與觀察者所在參照系相對以太參照系的速度的矢量疊加。就是這個道理，也就是說光速會隨著參照系的不同，也變得不同。

但是到了后來，麥克斯韋創(chuàng)建了電磁理論，實現(xiàn)了物理學(xué)的第一次大一統(tǒng)，麥克斯韋方程組構(gòu)建了電動力學(xué)的基石，但卻和牛頓的經(jīng)典力學(xué)產(chǎn)生了矛盾。麥克斯韋建立的電動力學(xué)，有一個結(jié)果就是光速在不同慣性系是不變的，電光速是不需要相對于某個參考系而言的。在任何慣性參考系下，光速都是3×10^8m/s。

這個結(jié)果和經(jīng)典力學(xué)的伽利略變換是相矛盾的。如果我們把伽利略變換應(yīng)用于描述電磁現(xiàn)象的麥克斯韋方程組時，將發(fā)現(xiàn)她的形式不是不變的，也就是說光速不是一個固定的數(shù)值，即在伽利略變換下麥克斯韋方程組或電磁現(xiàn)象規(guī)律不滿足相對性原理。

我們可以由麥克斯韋方程組得到電磁波的波動方程，由波動方程解出真空中的光速是一個常數(shù)。按照經(jīng)典力學(xué)的時空觀，這個結(jié)論應(yīng)當(dāng)只在某個特定的慣性參照系中成立，這個參照系就是以太。但是電磁理論卻得出了光速在任何情況下是不變的，也就是說以太這個絕對慣性系是不存在的，

一句話概括_電磁現(xiàn)象所遵從的麥克斯韋方程組不服從伽利略變換，導(dǎo)致了經(jīng)典力學(xué)出現(xiàn)危機。

物理學(xué)家對經(jīng)典力學(xué)的修補

而為了否定電磁理論，捍衛(wèi)經(jīng)典力學(xué)的權(quán)威性。許多物理學(xué)家都開始去嘗試證明以太的存在。其中之一的方法就是通過尋找光以太相對于地球的運動，來佐證以太的存在。

著名實驗物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷就用干涉儀以尋找光以太相對于地球的運動做了實驗觀察．這就是著名的邁克耳孫—莫雷實驗。

這個實驗的用意在于探測光以太對于地球的漂移速度，從而證明以太的存在。因為在經(jīng)典力學(xué)里，以太代表了一個絕對靜止的參考系，而地球穿過以太在空間中運動，就相當(dāng)于一艘船在高速行駛，迎面會吹來強烈的“以太風(fēng)”。若能測定以太與地球的相對速度，即以太漂移速度，便可證明以太的存在。

以太風(fēng)

邁克爾遜在1881年進行了第一次實驗，想測出這個相對速度，但結(jié)果并不十分令人滿意。于是，他和另外一位物理學(xué)家莫雷合作，在1886年安排了第二次實驗。這可能是當(dāng)時物理史上進行過的最精密的實驗了。他們動用了最新的干涉儀。為了提高系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性，他們甚至多方籌措，弄來了一塊大石板，把她放在一個水銀槽上。這樣就把干擾的因素降到了最低的限度。

邁爾克實驗

然而，實驗結(jié)果卻讓他們無比震驚和失望_兩束光線根本就沒有表現(xiàn)出任何的時間差。以太似乎對穿越于其中的光線毫無影響。根本測量不到地球相對于以太參照系的運動速度。 地球相對以太不運動。此后其他的一些實驗亦得到同樣的結(jié)果。邁克爾遜和莫雷不甘心，一連觀測了四天，情況都是一樣。邁克爾遜和莫雷甚至還想連續(xù)觀測一年，以確定在四季中，地球繞太陽運行對以太風(fēng)造成的差別。但因為這個否定的結(jié)果是如此清晰而不容質(zhì)疑，這個計劃被無奈地取消了。

隨著邁克耳孫—莫雷實驗的多次失敗，證明以太的存在捍衛(wèi)經(jīng)典力學(xué)的權(quán)威性的想法宣告破產(chǎn)。

這個時候，著名物理學(xué)家洛倫茲為了在承認光速與參照系無關(guān)的條件下，拯救以太假設(shè)，便拋棄了空間間隔和時間間隔與參照系無關(guān)的絕對觀念。在他看來，常駐以太參照系是基本參照系，在這個參照系中，時間是均勻流逝的，空間是均勻的，各向同性的。任何實際參照系都相對于這個基本參照系運動著。

根據(jù)他的設(shè)想，觀察者相對于以太以一定速度運動時，長度在運動方向上發(fā)生收縮，抵消了不同方向上由于光速差異。

洛倫茲變換一定程度上調(diào)和了經(jīng)典力學(xué)和電動力學(xué)之間的矛盾，給了伽利略變換一個適用的領(lǐng)域，那么就可以解釋為什么伽利略變換下麥克斯韋方程組或電磁現(xiàn)象規(guī)律不滿足相對性原理。

然而洛倫茲變換畢竟是為了拯救錯誤的以太假說而提出的，在調(diào)和經(jīng)典力學(xué)與電動力學(xué)之間的矛盾上還存在許多的問題。在相對論以前，洛倫茲從存在絕對靜止以太的觀念出發(fā)，考慮物體運動發(fā)生收縮的物質(zhì)過程得出洛倫茲變換。在洛倫茲理論中，變換所引入的量僅僅看作是數(shù)學(xué)上的輔助手段，并不包含相對論的時空觀。

所以，經(jīng)典力學(xué)的危機并沒有解除，這個時候，愛因斯坦登場了！

愛因斯坦提出了狹義相對論，誕生新的時空觀

愛因斯坦洞察到解決這種不協(xié)調(diào)狀況的關(guān)鍵是同時性的定義，愛因斯坦認為既然光速不變，作為靜止參考系的以太就沒有理由存在。于是拋棄靜止參考系以太， 1905年愛因斯坦發(fā)表的題為《論動體的電動力學(xué) 》一文中以光速不變原理和狹義相對性原理為基本假設(shè)的基礎(chǔ)上建立了一種區(qū)別于牛頓時空觀的新的平直時空理論。這就是我們熟知的大名鼎鼎的狹義相對論。

狹義相對性原理_一切物理定律（除引力外的力學(xué)定律、電磁學(xué)定律以及其他相互作用的動力學(xué)定律）在所有慣性系中均有效；或者說，一切物理定律（除引力外）的方程式在洛倫茲變換下保持形式不變。不同時間進行的實驗給出了同樣的物理定律，這正是相對性原理的實驗基礎(chǔ)。

光速不變原理_光在真空中總是以確定的速度c傳播，速度的大小同光源的運動狀態(tài)無關(guān)。在真空中的各個方向上，光信號傳播速度（即單向光速）的大小均相同（即光速各向同性）；光速同光源的運動狀態(tài)和觀察者所處的慣性系無關(guān)。這個原理同經(jīng)典力學(xué)不相容。有了這個原理，才能夠準確地定義不同地點的同時性。

愛因斯坦基于事實的觀察著眼于修改運動、時間、空間等基本概念，重新導(dǎo)出洛倫茲變換，并賦予洛倫茲變換嶄新的物理內(nèi)容，來解釋邁克爾遜-莫雷實驗和光速不變。愛因斯坦的洛侖茲變換是指純數(shù)學(xué)的空間縮短，不再是組成量桿的帶電粒子距離縮短。而且這種空間縮短不具有任何實質(zhì)性的物理意義。

在狹義相對論中，洛倫茲變換是最基本的關(guān)系式，狹義相對論的運動學(xué)結(jié)論和時空性質(zhì)，如同時性的相對性、長度收縮、時間延緩、速度變換公式、相對論多普勒效應(yīng)等都可以從洛倫茲變換中直接得出。

根據(jù)光速不變原理，相對于任何慣性參考系，光速都具有相同的數(shù)值。在光速不變和相對性原理的基礎(chǔ)上，

在狹義相對論中，空間和時間并不相互獨立，而是一個統(tǒng)一的四維時空整體，不同慣性參照系之間的變換關(guān)系式與洛倫茲變換在數(shù)學(xué)表達式上是一致的。

由此，經(jīng)典力學(xué)與電動力學(xué)之間的矛盾徹底被調(diào)和，如果速度v比光速с小很多，而且被觀察的物體的運動速度也比光速小很多，則洛倫茲變換就與伽利略變換近似一樣。對于日常的力學(xué)現(xiàn)象，使用伽利略變換就可以了。然而，對于運動物體的電磁現(xiàn)象，雖然物體的運動速度比光速小很多，但由于電磁相互作用的傳播速度是光速，所以仍必須使用洛倫茲變換。

所以說，伽利略變換明顯成立的公式在物體以接近光速運動時、亦或者是電磁過程不會成立，這是 相對論效應(yīng)造成的。愛因斯坦的狹義相對論給經(jīng)典力學(xué)和電磁場論都劃分了各自適用的領(lǐng)域，一旦超過了這個范圍，那么將不再適用。

簡而言之，就是愛因斯坦在以光速不變原理和狹義相對性原理為基本假設(shè)的基礎(chǔ)上，以洛倫茲變換為核心提出了狹義相對論，解決了經(jīng)典力學(xué)的危機，并且提出了一種全新的時空觀。

牛頓時空觀認為:時間、空間是絕對的，絕對是指時間、空間與物質(zhì)運動無關(guān)，與參考系無關(guān);空間和時間也是彼此獨立的，空間的度量與時間無關(guān)， 時間的度量與空間無關(guān)，同時性也是絕對的。牛頓時空觀反映在伽利略變換之中。

而狹義相對論時空觀認為:時間、空間、運動三者是不可分割地聯(lián)系著; 時間、空間的度量是相對的。不同的慣性系沒有共同的同時性，沒有相同的時間、空間度量。比如時間延緩是一種相對效應(yīng)；時間的流逝不是絕對的，運動將改變時間的進程（這句你可以簡單理解為，你的運動狀態(tài)對你的壽命將產(chǎn)生影響）；長度收縮是空間的屬性，是一種相對效應(yīng)。