狹義相對論講的是什麼？

什麼是相對論？

相對論是愛因斯坦創立的一個關於時間、空間和物質之間關係的理論。它分為狹義相對論和廣義相對論兩個部分。

狹義相對論

1905年創立的狹義相對論是一個時空理論，描述著不同慣性系之間的時空關係。

愛因斯坦於1905年發表了一篇非常有名的論文——《論運動物體的電動力學》，宣告著狹義相對論的誕生，該論文探討了慣性系之間的時空關係，指出對於做相對運動的不同慣性系之間而言，兩個異地事件是否「同時」發生是一個相對的概念。

也就是說，處於靜止系中的觀察者認為「同時」發生在不同地點的兩件事情，運動觀測者認為並不是「同時」發生的，這也就是「同時的相對性」。另外，愛因斯坦還提出了「運動的時鐘變慢」、「運動的鋼尺變短」等時空效應，在後來愛因斯坦有指出「物體的質量跟運動速度有關」，並且提出了著名的質能方程式：

狹義相對論是建立在兩個基礎假設之上：光速不可變原理和相對性原理。並且，愛因斯坦獨立推導出了狹義相對論的核心公式——洛倫茲變換。

必須指出的是，愛因斯坦在建立狹義相對論的時候並不知曉洛倫茲的相關工作，雖然最後公式在數學上的形式都一樣，但是是兩個人獨立自主推導出來的，且愛因斯坦推導出來的洛倫茲變換的物理解釋跟洛倫茲完全不同。

為了區別洛倫茲的理論和愛因斯坦的理論，洛倫茲在給愛因斯坦寫信的時候建議把愛因斯坦的理論稱為「相對論」，愛因斯坦一聽覺得「這名字起得還可以」，於是就欣然接受了。（順便說下，「洛倫茲變換」這個名字也不是洛倫茲本人自己起名的，而是著名的數學家龐加萊建議的。）

相對性原理看起來並沒有什麼問題，大家比較接受，但是光速不變原理就遭殃了，並且在相當長的一段時間包括目前也一樣，光速不變原理一直被挑戰著，不管是什麼身份的人。其實很多人都對光速這個概念存在或多或少的誤解，那麼我們就來談談光速不變原理是怎麼回事。

愛因斯坦告訴我們，在物體運動速度遠低於光速的情況下，牛頓的經典物理時空觀和定律都是非常適用且精確的。但是如果物體的運動速度加快了，快到一定的速度值之後，牛頓的經典物理時空觀和定律將通通失效，速度得達到多塊呢？通過計算可以發現，至少得達到0.5c這樣的速度。光速不變原理告訴我們，光速唯一且不可超。於是一大波又一大波的人就要來反駁了，找了很多很多的例子來「說明」相對論是「錯的」。下面我們來舉一個例子解析一下。

假設在某個慣性系內，存在一個人和一輛汽車，好，我們進入下面三個情景模式：

情景一：假設人以10m/s的速度向前運動，汽車以20m/s的速度同向運動，這時候按照牛頓的經典物理學觀點，我們可以有下面的結果。

從圖示我們可以看出，如果以地面作為參考系的話，那麼人和汽車的速度分別是10m/s和20m/s，如果以汽車為參考系的話，人的速度是-（20-10）m/s（速度是矢量，正負代表方向而不是大小），若以人為參考系的話，汽車的速度為（20-10）m/s。嗯，非常好，解釋得非常完美，也很對。接下來進入情景二。

情景二：假設人以10m/s的速度向前運動，汽車以20m/s的速度相向運動，這時候按照牛頓的經典物理學觀點，我們可以有下面的結果。

從圖示我們同樣也可以得出，假若以地面為參考系的話，人和汽車的速度分別是10m/s和-20m/s，以人為參考系的時候汽車的速度為-（10+20）m/s，若以汽車為參考系的話，人的速度就是（10+20）m/s。很好，解釋得不錯，但是如果我們把汽車的速度加大到光速呢？會怎麼樣？讓我們來看看。

情景三：假設人還是以10m/s的速度前進，而汽車以光速相向運動，則如果按照牛頓的經典物理時空觀的話，會出現下面的情況：

這時候很多人都會眼尖發現一個問題：如果我以人為參考系的時候，汽車的速度就是-（c+10）m/s，而以汽車為參考系的時候，人的速度就是（c+10）m/s。這不就是已經超越光速了嗎？相對論不是說光速不可超嗎？你瞧，愛因斯坦錯了！

先別急，我們剛剛也說了，愛因斯坦指出，當物體運動速度比較低的時候，牛頓的經典物理學時空觀和定律都很適用很精確，但是一旦物體的運動速度加快到0.5倍光速的時候，這些經典物理定律將通通失效！

那怎麼解釋剛才的問題呢？問題就出現在這裡：相對論提出光速不可疊加定理。也就是說，不管是我們以人為參照物也好，以汽車為參照物都好，兩者的最終速度只是（正負代表方向）。更直白一點，不管我作為觀察者是背著光運動的還是逆著光運動的，測量出來的光的速度仍然是光速c。所以，如果你想使用相對論時空觀來解釋問題的時候，你就必須拋棄經典物理的時空觀。

我們再來談談光速在相對論中的作用。光速在相對論中有兩個基本作用，這兩個基本作用使光速在相對論中處於核心地位：

、對於光速的「約定」使得時間和空間成為可以測量的量。

著名的數學家龐加萊曾經指出：不可測量的量是不能被引入自然科學的。要使得空間各點都有統一的時間，就要校準空間各個點的鐘，必須事先對信號傳播速度有一個「約定」，於是我們約定了真空中的光速各向同性且是一個常數，這樣我們就可以校準了空間中不同點的鐘，同時又進一步假定「同時」這一概念具有傳遞性，也就是說我用光信號把位於A、B兩點的時鐘較准了，再用光信號把位於B、C兩點的時鐘校準，這樣由於傳遞性A、B、C三個鍾就都准了，用同樣的方法我們就可以把所有空間點的鐘都校準，這樣整個空間的時間就都統一了。後來我們物理學中的空間距離採用時間的度量來定義，這裡也要用到對光速的「約定」，即光速乘以光信號在這兩點之間傳播需要的時間，來定義兩點之間的距離。

對於每一個慣性系都定義了統一的時間標準和長度，我們才能進行進一步地研究，才可能建立不同慣性系之間的洛倫茲變換，以討論動鍾變慢、動尺縮短等相對論效應，這一點是很多人忽視的，必須引起重視。

、光速不變原理，它是相對論的兩個基礎理論之一。

它告訴我們真空中的光速在所有的慣性系中都相同，光速與光源相對於觀測者是否運動、運動的速度大小都沒有關係。必須要有相對性原理和光速不變原理的同時成立，才可能使得「同時」這個概念變成相對的。也就是說，在慣性系S中看來同時發生的兩件異地事件，在另一個以速度v相對於慣性系S勻速直線運動的慣性系中，將不是「同時」發生的。理解「同時的相對性」是弄懂相對論的關鍵。

實際上，對於光速的「約定」和「光速不變原理」均與時空的對稱性有關：約定光速就是約定時間的均勻性和空間的均勻、各向同性，光速不變原理則對應於Boost對稱性（相對應於洛倫茲變換）。總之，約定光速的以上兩條性質，等價於約定時空具有龐加萊對稱性。

（由於篇幅限制，廣義相對論以及相對論更加詳細的科普介紹我們後期繼續跟上，敬請關注！）

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