潘世勋2016拍卖价格:何谓“相对论”？

十九世纪后期，由于光的波动理论的确立，科学家相信一种叫“以太”的连续介质充满了宇宙空间，就象空气中的声波一样，光线和电磁信号是“以太”中的波。然而，与空间完全充满“以太”的思想相悖的结果不久就出现了：根据“以太”理论应得出，光线传播速度相对于“以太”应是一个定值，因此，如果你沿与光线传播相同的方向行进，你所测量到的光速应比你在静止时测量到的光速低；反之，如果你沿与光线传播相反的方向行进，你所测量到的光速应比你在静止时测量到的光速高。但是，一系列实验都没有找到造成光速差别的证据。
在这些实验当中，阿尔波特·迈克尔逊和埃迪沃德·莫里1887年在美国俄亥俄州克里夫兰的凯斯研究所所完成的测量，是最准确细致的。他们对比两束成直角的光线的传播速度，由于围着自转轴的转动和绕太阳的公转，根据推理，地球应穿行在“以太”中，因此上述成直角的两束光线应因地球的运动而测量到不同的速度，爱尔兰物理学家乔治·费兹哥立德和荷兰物理学家亨卓克·洛仑兹，最早认为相对于“以太”运动的物体在运动方向的尺寸会收缩，而相对于“以太”运动的时钟会变慢。并且洛仑兹提出了著名的洛仑兹变换。而对“以太”，费兹哥立德和洛仑兹当时都认为是一种真实存在的物质。而法国数学家庞加莱怀疑这一点，并预见全新的力学会出现。

马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关。时空的观念是通过经验形成的。绝对时空无论依据什么经验也不能把握。休谟更具体的说：空间和广延不是别的，而是按一定次序分布的可见的对象充满空间。而时间总是又能够变化的对象的可觉察的变化而发现的。1905年爱因斯坦指出，迈克尔逊和莫雷实验实际上说明关于“以太”的整个概念是多余的，光速是不变的。而牛顿的绝对时空观念是错误的。不存在绝对静止的参照物，时间测量也是随参照系不同而不同的。他用光速不变和相对性原理提出了洛仑兹变换。创立了狭义相对论。

狭义相对论

狭义相对论适用于惯性参照系

1、 狭义相对论的两条基础原理

（1） 狭义相对性原理——在所有的惯性系中物理定律的形式相同。各惯性系应该是等价的，不存在特殊的惯性系。即事物在每个惯性系中规律是一样的。（从合理性上说）

（2） 光速不变原理——在所有的惯性系里，真空中光速具有相同的值。光速与广泛的运动无关；光速与频率无关；往返平均光速与方向无关。（该原理由迈克尔逊-莫雷实验引出。）

2、 狭义相对论运动学的核心——洛仑兹变换

有了这两个新的公理，则非常重要的洛仑兹变换关系就非常自然的推导出来了。讨论一个从t=0 x=0发出的光子在∑系和∑’系（在t=0时∑’系与∑系重合，以后∑’以V沿X轴方向运动。）中的情况，根据：

1、时空均匀性：x=γ(x’+vt’)
2、相对性原理：x’=γ(x-vt)

3、光速不变原理：x=ct

x’=ct’

其中：时空均匀性条件不是新的原理，一个固定的物体放在空间任一位置无论何时长度是相同的这是非常直观的，由简单的推理可知均匀时空的坐标变换是线性的。因为若设：x=ax’2+bt’,则任一瞬间（dt’=0）测量一物体长度：dx=2ax’dx’.可见对∑’系任一个dx’放在不同的x’，对∑系来说是长度不同的。也即对∑系空间是不均匀的这不符合直觉。因∑’与∑是等价的，∑’系变到∑系有x=γ(x’+vt’)，则∑系变到∑’就一定有x’=γ(x - vt)，可见相对性原理对不同的惯性系是公平的。最后由光速不变原理给出的两个关系，看起来费解，却有实验支持。这样解4个方程立即得到 和洛仑兹变换：

∑’系→∑系 ∑系→∑’系

x=γ(x’+vt’) x’=γ(x - vt)

y=y’ y’=y

z=z’ z’=z

t=γ(t’+vx’/c2) t’=γ(t-vx/c2)

洛仑兹变换统一了时空和运动，统一了高速世界和经典力学研究的低速情况。当v<<c时γ=1即洛仑兹变换变成了伽俐略变换。

3、 狭义相对论时空观

①同时的相对性：由Δt=γ(Δt’+vΔx’/c2)，Δt’=0时，一般Δt≠0。称x’/c2为同时性因子。

②运动的钟变慢：由Δt=γ(Δt’+vΔx’/c2)，因运动的钟在自己的参照系中Δx’=0，则Δt=γΔt’≥Δt’。

③运动的长度缩短：由Δx=Δx’/γ+vΔt，因测量运动的长度时必须Δt=0，则Δx=Δx’/γ= Δx’≤Δx’。常称 为收缩因子， 为膨胀因子。

4、 狭义相对论力学

（1） 相对论质量

讨论：∑系中质量为m0的A球以V沿x方向运动，相对∑系以V运动的∑’系上有同样的球B以相对∑’系ux’= -V运动，两球相碰发生完全弹性碰撞，如图：

根据：

对∑系由动量守恒：

（m+m0）ux=mv

对∑’系由动量守恒：

（m+m0）ux’= -mv

速度变换式：
解这几个方程就得到：m=γm0 竟然速度v增加（γ增加）质量m也要增加。

（2） 相对论质能关系

讨论：单个粒子在外力F作用下移动一段路程使得动能从0→EK。

根据：动能定理：A=ΔEK

牛顿定律：
质速关系：m=γm0

推导：Ek=Ek-0=ΔEK=
由 → m2c2-p2= m02c2 → pdp= mc2dm 代入上式得：

EK=
显然，粒子的总能量为：E=mc2

粒子的静止能量为：E0=m0c2

粒子的动能为：

EK=mc2 – m0c2=
可见粒子的动能不等于经典的形式，但当V<<c时，EK≈mV2/2

（3） 相对论力学方程

在经典物理中牛顿定律常把它写成 ，现代物理证明这只在低速情况下近似成立，普遍的形式是 。实际上这是力的定义式。力是物体整体运动状态变化的原因，用P来表示状态参量要比用V周全，因为V仅仅表示了物体相对运动因素，而P=mv表示了物体整体作相对运动时运动的完整数量。

广义相对论

尽管相对论与电磁理论的有关定律结合得非常完美，但它与牛顿的重力定律不相容。牛顿的重力理论表明，如果你改变空间的物质分布，整个宇宙中重力场的改变是同时发生的，这不但意味着你可以发送比光速传播更快的信号（这是为相对论所不容的），而且需要绝对或普适的时间概念，这又是为相对论所抛弃的。1911年，爱因斯坦深入思考这个问题。爱因斯坦意识到加速与重力场的密切关系，在密封厢中的人，无法区分他自己对地板的压力是由于他处在地球的重力场中的结果，还是由于在无引力空间中他被火箭加速所造成的。于是他提出了引力与加速度等效原理。并用黎曼几何处理弯曲四维空间，创立了广义相对论。

1915年爱因斯坦把狭义相对论原理推广到更一般的情况，即非惯性系中，建立了广义相对论。

1.等效原理——非惯性系与一个引力场等效。

所有的实验结果都得出同一结论：惯性质量等于引力质量。

牛顿自己意识到这种质量的等同性是由某种他的理论不能够解释的原因引起的。但他认为这一结果是一种简单的巧合。与此相反，引力质量和惯性质量的等同性是爱因斯坦论据中的第三假设。

爱因斯坦一直在寻找“引力质量与惯性质量相等”的解释。他认为：如果一个惯性系相对于一个伽利略系被均匀地加速，那么我们就可以通过引入相对于它的一个均匀引力场而认为它（该惯性系）是静止的。日常经验验证了这一等同性：两个物体（一轻一重）会以相同的速度“下落”。然而重的物体受到的地球引力比轻的大。那么为什么它不会“落”得更快呢？因为它对加速度的抵抗更强。结果是，引力场中物体的加速度与其质量无关。伽利略是第一个注意到此现象的人。引力场中所有的物体“以同一速度下落”是（经典力学中）惯性质量和引力质量等同的结果。

2.广义相对论原理——自然法则（物理学基本规律）在所有的系中都是相同的。

这是爱因斯坦的第四假设，是其第一假设的推广。不可否认，宣称所有系中的自然规律都是相同的比称只有在伽利略系中自然规律相同听起来更“自然”。

3.广义相对论的描述

1912年爱因斯坦意识到如果真实几何中引入一些调整，重力与加速的等价关系就可以成立。爱因斯坦想象，如果三维空间加上第四维的时间所形成的空间－时间实体是弯曲的，那结果是怎样的呢？他的思想是，质量和能量将会造成时空的弯曲，这在某些方面或许已经被证明。像行星和苹果，物体将趋向直线运动，但是，他们的径迹看起来会被重力场弯曲，因为时空被重力场弯曲了。
1913年在他的朋友马歇尔·格卢斯曼的帮助下，爱因斯坦学习弯曲空间及表面的理论，即黎曼几何。这些抽象的理论，在玻恩哈德·黎曼将它们发展起来时，从未想到与真实世界会有联系。我们所认识的重力，只是时空是弯曲的事实的一种表述。

广义相对论提出了三个可检验的预言。第一个是水星的近日点的摄动，该现象指出，轨道上运动的行星在绕太阳运行时，每完成一个周期并非精确返回到空间的原来位置，而是稍稍有些前移。这一事实早在19世纪中叶就已发现，但经典的牛顿天体力学无法对摄动现象做出满意的解释。第二个预言是，光线在引力场中将发生偏转。按照这个说法，星光在经过太阳附近时，将受到太阳引力的影响而偏折。结果是恒星的机位会有一个变化。观测这一现象只有发生日全蚀时才能进行，否则太阳的强烈光线使地面上根本观测不到太阳附近的恒星光线（瑞士天文学家M．施瓦兹柴尔德对这个现象做了详细的定量描述）。第三个预言通常被称为谱线“红移”，即恒星辐射总是背离我们而去。

第一次世界大战刚一结束，英国天文学家爱丁顿立即在1919年组织了英国日蚀观测队，去检测星光经过日全蚀太阳时将发生偏转的预言。两支观测队分别出发，一个派往巴西的索布拉尔，另一个由爱丁顿率领来到西班牙所属圭那亚海岸附近的普林西比岛。观测结果与预言相符，立即震撼了全世界的科学家和公众。

相对论
E = mc2相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦创立，分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。相对论的基本假设是光速不变原理，相对性原理和等效原理。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观条件下的物体。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”，“四维时空”“弯曲空间”等全新的概念。

狭义相对论
主条目：狭义相对论

狭义相对论，是只限于讨论惯性系情况的相对论。牛顿时空观认为空间是平直的、各向同性的和各点同性的的三维空间，时间是独立于空间的单独一维（因而也是绝对的）。狭义相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，并不存在绝对的空间和时间。在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的，这是一种对应于“全局惯性系”的理想状况。狭义相对论将真空中光速为常数作为基本假设，结合狭义相对性原理和上述时空的性质可以推出洛仑兹变换。

广义相对论
主条目：广义相对论

广义相对论是爱因斯坦(Albert Einstein)在1915年发表的理论。爱因斯坦提出“等效原理”，即引力和惯性力是等效的。这一原理建立在引力质量与惯性质量的等价性上(目前实验证实,在10 − 12的精确度范围内,仍没有看到引力质量与惯性质量的差别)。根据等效原理，爱因斯坦把狭义相对性原理推广为广义相对性原理，即物理定律的形式在一切参考系都是不变的。物体的运动方程即该参考系中的测地线方程。测地线方程与物体自身故有性质无关，只取决于时空局域几何性质。而引力正是时空局域几何性质的表现。物质质量的存在会造成时空的弯曲，在弯曲的时空中，物体仍然顺着最短距离进行运动(即沿着测地线运动——在欧氏空间中即是直线运动)，如地球在太阳造成的弯曲时空中的测地线运动，实际是绕着太阳转，造成引力作用效应。正如在弯曲的地球表面上，如果以直线运动，实际是绕着地球表面的大圆走。

对相对论的批评
主条目：倒相对论

相对论的提出，同样受到很多的指责，有很多人认为它是错误的，并大大阻碍了社会的发展。然而这种观点并不被主流科学界所接受。

十九世纪后期，由于光的波动理论的确立，科学家相信一种叫“以太”的连续介质充满了宇宙空间，就象空气中的声波一样，光线和电磁信号是“以太”中的波。然而，与空间完全充满“以太”的思想相悖的结果不久就出现了：根据“以太”理论应得出，光线传播速度相对于“以太”应是一个定值，因此，如果你沿与光线传播相同的方向行进，你所测量到的光速应比你在静止时测量到的光速低；反之，如果你沿与光线传播相反的方向行进，你所测量到的光速应比你在静止时测量到的光速高。但是，一系列实验都没有找到造成光速差别的证据。
在这些实验当中，阿尔波特·迈克尔逊和埃迪沃德·莫里1887年在美国俄亥俄州克里夫兰的凯斯研究所所完成的测量，是最准确细致的。他们对比两束成直角的光线的传播速度，由于围着自转轴的转动和绕太阳的公转，根据推理，地球应穿行在“以太”中，因此上述成直角的两束光线应因地球的运动而测量到不同的速度，爱尔兰物理学家乔治·费兹哥立德和荷兰物理学家亨卓克·洛仑兹，最早认为相对于“以太”运动的物体在运动方向的尺寸会收缩，而相对于“以太”运动的时钟会变慢。并且洛仑兹提出了著名的洛仑兹变换。而对“以太”，费兹哥立德和洛仑兹当时都认为是一种真实存在的物质。而法国数学家庞加莱怀疑这一点，并预见全新的力学会出现。

马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关。时空的观念是通过经验形成的。绝对时空无论依据什么经验也不能把握。休谟更具体的说：空间和广延不是别的，而是按一定次序分布的可见的对象充满空间。而时间总是又能够变化的对象的可觉察的变化而发现的。1905年爱因斯坦指出，迈克尔逊和莫雷实验实际上说明关于“以太”的整个概念是多余的，光速是不变的。而牛顿的绝对时空观念是错误的。不存在绝对静止的参照物，时间测量也是随参照系不同而不同的。他用光速不变和相对性原理提出了洛仑兹变换。创立了狭义相对论。

狭义相对论

狭义相对论适用于惯性参照系

1、 狭义相对论的两条基础原理

（1） 狭义相对性原理——在所有的惯性系中物理定律的形式相同。各惯性系应该是等价的，不存在特殊的惯性系。即事物在每个惯性系中规律是一样的。（从合理性上说）

（2） 光速不变原理——在所有的惯性系里，真空中光速具有相同的值。光速与广泛的运动无关；光速与频率无关；往返平均光速与方向无关。（该原理由迈克尔逊-莫雷实验引出。）

2、 狭义相对论运动学的核心——洛仑兹变换

有了这两个新的公理，则非常重要的洛仑兹变换关系就非常自然的推导出来了。讨论一个从t=0 x=0发出的光子在∑系和∑’系（在t=0时∑’系与∑系重合，以后∑’以V沿X轴方向运动。）中的情况，根据：

1、时空均匀性：x=γ(x’+vt’)
2、相对性原理：x’=γ(x-vt)

3、光速不变原理：x=ct

x’=ct’

其中：时空均匀性条件不是新的原理，一个固定的物体放在空间任一位置无论何时长度是相同的这是非常直观的，由简单的推理可知均匀时空的坐标变换是线性的。因为若设：x=ax’2+bt’,则任一瞬间（dt’=0）测量一物体长度：dx=2ax’dx’.可见对∑’系任一个dx’放在不同的x’，对∑系来说是长度不同的。也即对∑系空间是不均匀的这不符合直觉。因∑’与∑是等价的，∑’系变到∑系有x=γ(x’+vt’)，则∑系变到∑’就一定有x’=γ(x - vt)，可见相对性原理对不同的惯性系是公平的。最后由光速不变原理给出的两个关系，看起来费解，却有实验支持。这样解4个方程立即得到 和洛仑兹变换：

∑’系→∑系 ∑系→∑’系

x=γ(x’+vt’) x’=γ(x - vt)

y=y’ y’=y

z=z’ z’=z

t=γ(t’+vx’/c2) t’=γ(t-vx/c2)

洛仑兹变换统一了时空和运动，统一了高速世界和经典力学研究的低速情况。当v<<c时γ=1即洛仑兹变换变成了伽俐略变换。

3、 狭义相对论时空观

①同时的相对性：由Δt=γ(Δt’+vΔx’/c2)，Δt’=0时，一般Δt≠0。称x’/c2为同时性因子。

②运动的钟变慢：由Δt=γ(Δt’+vΔx’/c2)，因运动的钟在自己的参照系中Δx’=0，则Δt=γΔt’≥Δt’。

③运动的长度缩短：由Δx=Δx’/γ+vΔt，因测量运动的长度时必须Δt=0，则Δx=Δx’/γ= Δx’≤Δx’。常称 为收缩因子， 为膨胀因子。

4、 狭义相对论力学

（1） 相对论质量

讨论：∑系中质量为m0的A球以V沿x方向运动，相对∑系以V运动的∑’系上有同样的球B以相对∑’系ux’= -V运动，两球相碰发生完全弹性碰撞，如图：

根据：

对∑系由动量守恒：

（m+m0）ux=mv

对∑’系由动量守恒：

（m+m0）ux’= -mv

速度变换式：
解这几个方程就得到：m=γm0 竟然速度v增加（γ增加）质量m也要增加。

（2） 相对论质能关系

讨论：单个粒子在外力F作用下移动一段路程使得动能从0→EK。

根据：动能定理：A=ΔEK

牛顿定律：
质速关系：m=γm0

推导：Ek=Ek-0=ΔEK=
由 → m2c2-p2= m02c2 → pdp= mc2dm 代入上式得：

EK=
显然，粒子的总能量为：E=mc2

粒子的静止能量为：E0=m0c2

粒子的动能为：

EK=mc2 – m0c2=
可见粒子的动能不等于经典的形式，但当V<<c时，EK≈mV2/2

（3） 相对论力学方程

在经典物理中牛顿定律常把它写成 ，现代物理证明这只在低速情况下近似成立，普遍的形式是 。实际上这是力的定义式。力是物体整体运动状态变化的原因，用P来表示状态参量要比用V周全，因为V仅仅表示了物体相对运动因素，而P=mv表示了物体整体作相对运动时运动的完整数量。

广义相对论

尽管相对论与电磁理论的有关定律结合得非常完美，但它与牛顿的重力定律不相容。牛顿的重力理论表明，如果你改变空间的物质分布，整个宇宙中重力场的改变是同时发生的，这不但意味着你可以发送比光速传播更快的信号（这是为相对论所不容的），而且需要绝对或普适的时间概念，这又是为相对论所抛弃的。1911年，爱因斯坦深入思考这个问题。爱因斯坦意识到加速与重力场的密切关系，在密封厢中的人，无法区分他自己对地板的压力是由于他处在地球的重力场中的结果，还是由于在无引力空间中他被火箭加速所造成的。于是他提出了引力与加速度等效原理。并用黎曼几何处理弯曲四维空间，创立了广义相对论。

1915年爱因斯坦把狭义相对论原理推广到更一般的情况，即非惯性系中，建立了广义相对论。

1.等效原理——非惯性系与一个引力场等效。

所有的实验结果都得出同一结论：惯性质量等于引力质量。

牛顿自己意识到这种质量的等同性是由某种他的理论不能够解释的原因引起的。但他认为这一结果是一种简单的巧合。与此相反，引力质量和惯性质量的等同性是爱因斯坦论据中的第三假设。

爱因斯坦一直在寻找“引力质量与惯性质量相等”的解释。他认为：如果一个惯性系相对于一个伽利略系被均匀地加速，那么我们就可以通过引入相对于它的一个均匀引力场而认为它（该惯性系）是静止的。日常经验验证了这一等同性：两个物体（一轻一重）会以相同的速度“下落”。然而重的物体受到的地球引力比轻的大。那么为什么它不会“落”得更快呢？因为它对加速度的抵抗更强。结果是，引力场中物体的加速度与其质量无关。伽利略是第一个注意到此现象的人。引力场中所有的物体“以同一速度下落”是（经典力学中）惯性质量和引力质量等同的结果。

2.广义相对论原理——自然法则（物理学基本规律）在所有的系中都是相同的。

这是爱因斯坦的第四假设，是其第一假设的推广。不可否认，宣称所有系中的自然规律都是相同的比称只有在伽利略系中自然规律相同听起来更“自然”。

3.广义相对论的描述

1912年爱因斯坦意识到如果真实几何中引入一些调整，重力与加速的等价关系就可以成立。爱因斯坦想象，如果三维空间加上第四维的时间所形成的空间－时间实体是弯曲的，那结果是怎样的呢？他的思想是，质量和能量将会造成时空的弯曲，这在某些方面或许已经被证明。像行星和苹果，物体将趋向直线运动，但是，他们的径迹看起来会被重力场弯曲，因为时空被重力场弯曲了。
1913年在他的朋友马歇尔·格卢斯曼的帮助下，爱因斯坦学习弯曲空间及表面的理论，即黎曼几何。这些抽象的理论，在玻恩哈德·黎曼将它们发展起来时，从未想到与真实世界会有联系。我们所认识的重力，只是时空是弯曲的事实的一种表述。

广义相对论提出了三个可检验的预言。第一个是水星的近日点的摄动，该现象指出，轨道上运动的行星在绕太阳运行时，每完成一个周期并非精确返回到空间的原来位置，而是稍稍有些前移。这一事实早在19世纪中叶就已发现，但经典的牛顿天体力学无法对摄动现象做出满意的解释。第二个预言是，光线在引力场中将发生偏转。按照这个说法，星光在经过太阳附近时，将受到太阳引力的影响而偏折。结果是恒星的机位会有一个变化。观测这一现象只有发生日全蚀时才能进行，否则太阳的强烈光线使地面上根本观测不到太阳附近的恒星光线（瑞士天文学家M．施瓦兹柴尔德对这个现象做了详细的定量描述）。第三个预言通常被称为谱线“红移”，即恒星辐射总是背离我们而去。

第一次世界大战刚一结束，英国天文学家爱丁顿立即在1919年组织了英国日蚀观测队，去检测星光经过日全蚀太阳时将发生偏转的预言。两支观测队分别出发，一个派往巴西的索布拉尔，另一个由爱丁顿率领来到西班牙所属圭那亚海岸附近的普林西比岛。观测结果与预言相符，立即震撼了全世界的科学家和公众。
回答者：小松博客 - 首席运营官 十二级 11-13 17:29

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相对论
E = mc2相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦创立，分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。相对论的基本假设是光速不变原理，相对性原理和等效原理。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观条件下的物体。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”，“四维时空”“弯曲空间”等全新的概念。

狭义相对论
主条目：狭义相对论

狭义相对论，是只限于讨论惯性系情况的相对论。牛顿时空观认为空间是平直的、各向同性的和各点同性的的三维空间，时间是独立于空间的单独一维（因而也是绝对的）。狭义相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，并不存在绝对的空间和时间。在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的，这是一种对应于“全局惯性系”的理想状况。狭义相对论将真空中光速为常数作为基本假设，结合狭义相对性原理和上述时空的性质可以推出洛仑兹变换。

广义相对论
主条目：广义相对论

广义相对论是爱因斯坦(Albert Einstein)在1915年发表的理论。爱因斯坦提出“等效原理”，即引力和惯性力是等效的。这一原理建立在引力质量与惯性质量的等价性上(目前实验证实,在10 − 12的精确度范围内,仍没有看到引力质量与惯性质量的差别)。根据等效原理，爱因斯坦把狭义相对性原理推广为广义相对性原理，即物理定律的形式在一切参考系都是不变的。物体的运动方程即该参考系中的测地线方程。测地线方程与物体自身故有性质无关，只取决于时空局域几何性质。而引力正是时空局域几何性质的表现。物质质量的存在会造成时空的弯曲，在弯曲的时空中，物体仍然顺着最短距离进行运动(即沿着测地线运动——在欧氏空间中即是直线运动)，如地球在太阳造成的弯曲时空中的测地线运动，实际是绕着太阳转，造成引力作用效应。正如在弯曲的地球表面上，如果以直线运动，实际是绕着地球表面的大圆走。

对相对论的批评
主条目：倒相对论

相对论的提出，同样受到很多的指责，有很多人认为它是错误的，并大大阻碍了社会的发展。然而这种观点并不被主流科学界所接受。 狭义相对论与广义相对论
襄樊学院物理系0011班 李伟
内容摘要：爱因斯坦创立了相对论。狭义相对论和广义相对论在近代物理学的各个方面有着广泛的应用。从狭义相对论到广义相对论经过了长时间的发、完善过程。
关键词：狭义相对论、广义相对论、历史背景、空时观念、惯性。
一、相对论产生的历史背景
爱因斯坦创立了相对论。实际上，相对论的创立经过了长时间的酝酿，是无数人辛勤劳动的结果。相对论有时也被称为关于空间、时间和引力的理论。
经典空时观念的破产，导致了相对论的建立。自古以来，空间概念来源于物体的广延性，时间概念则来源于过程的持续性。我国战国时期的著作墨经上说：“宇：弥异所也。”“久：弥异时也”。这里“宇”是空间的总称，“久”是时间的总称。“弥”是普遍的意思，“弥异所”即“不同地点的总称”，“弥异时”即“不同时刻的总称”，这是从具体过程中抽象出来的空间，时间概念。牛顿基本上也是这种观念，他把空间——时间看作为物理事件的载体或框架，一切事情都相对于它们而用空间坐标和时间坐标来加以描述。具体来说，空间既作为物质世界位置性质的表现，有作为容纳一切物质客体的容器。在这两种空间概念的结合上，牛顿作了更进一步的假定：在空间坐标的参考系中，存在一种优越地位的“惯性系”，对于它来说，物体运动遵从惯性定律，即不受力的物体保持其原有的静止或匀速直线运动状态。当物体受力F时，按牛顿定律F=ma产生加速度a，这在牛顿力学中，空间和时间不仅被看作为同物质一样的独立存在，而且还扮演了某种具有绝对意义的角色，它作为一个惯性系作用于一切物质客体。
与地球表面相连的参考系可看成是近似的参考系，但地球除自转外，还以30公里/秒的速度绕太阳运动，“坐地日行八万里，巡天遥看一千河。”因此，看来太阳系是更好的惯性系。但是，重要的是：即使是严格意义下的惯性系也不止一个。
我们从生活中的一些物理现象可以归纳出两点相互密切联系的结论：（1）相对于一个惯性系作匀速运动的参考系也是一个惯性系；（2）在一个惯性系内通过一切力学实验都不能判断这个惯性系相对于另一个惯性系的匀速直线运动状态。
如果限于直线运动，我们可以把经典力学中的速度相加定理叙述如下：如一惯性系（记为K′）相对于另一惯性系（记为K）的速度为v，若一物体相对于K′的速度为u，则它相对于K的速度为u±v（u、v同向时取“+”，反向时取“－”）。
为了描述质点的运动，让我们取两个相互作匀速直线运动的惯性系K和K′，它们的x和x′轴沿着运动方向，y和x′轴、z和z′轴平行，则空间一点P的坐标在K系中表示为（x，y，z），在K′系中表示为（x′，y′，z′）如图1.1所示。它们有如下关系：

在这里已假定在t=0时刻，K′系的原点O′和K系 原点O重合；另一个非常重要的假定：K′系的时间t′和K系的时间t是一样的，即t=t′ (1.2)
这意味着，K系的观察者可以共用一个钟，这和空间坐标不同，时间坐标是绝对的。（1.1）式和（1.2）式合起来叫做伽利略变换，它把两个惯性系间的空间、时间坐标联系起来。
从伽利略变换很容易推出经典力学的速度相加定理。如一质点沿x轴作匀速运动，在（1.1）式的第一式的两端各除以t，因为 是质点相对于K系的速度，而 是它相对于K′系的速度，故
u=u′+v （1.3）
另一方面，也很容易证明物体的力学运动规律，即牛顿方程F=ma，在伽利略变换F是不变的。这句话的意思是方程的形式在k系和k′系相同。在k系，一个粒子沿x方向的运动方程是ma=m =Fx (1.4)
因t′=t，由（1.1）式的第一式对时间求一次微商，得
即（1.3）式。再求导一次，因v为常数，即得 。
这表示K系数中的加速度a等于K′系中的加速度。假定在K′系中力 的大小与在K系中测得的力 相等，m也不变，于是从（1.4）得 （1.4）
它的形式和（1.4）式相似，所以和力学相对性原理等价的一个说法是：牛顿运动方程在伽里略变换下是不变的。
由此我们可以把前面的两句话改述如下：
一切力学规律在相互作匀速运动的惯性系内部都是相同的。这叫做“力学相对性原理”。
力学相对性原理是同惯性系间的伽里略变换一到的（或者说是相容的）。很明显，它们是建立在绝对空间——时间观念的基础之上的。不过，如果真的有一个绝对的静止的空间，并把它看作是一个优越的惯性系的话，那么通过任何力学实验也无法找到它，因为力学规律对一切惯性系都是一样的。
由上面的讨论可知，绝对空时观，伽里略变换，经典速度相加定理，力学相对性原理和无限多惯性系的存在，这五件事情是互相不矛盾的。

二、狭义相对论的产生过程
（一）狭义相对论的产生依据：
1、相对性原理：物理定律在任何惯性座标系中都具有相同形式。
2、光速恒定：在任何惯性座标系中，不论光线源自静止或运动的光源，光速一律是常数。
（二）爱因斯坦的两个实验：
1：所有惯性参照系中的物理规律是相同的（证明例子）
假设你正在一架飞机上，飞机水平地以每小时几百英里的恒定速度飞行，没有任何颠簸。一个人从机舱那边走过来，说：“把你的那袋花生扔过来好吗？”你抓起花生袋，但突然停了下来，想道：“我正坐在一架以每小时几百英里速度飞行的飞机上，我该用多大的劲扔这袋花生，才能使它到达那个人手上呢？”不，你根本不用考虑这个问题，你只需要用与你在机场时相同的动作（和力气）投掷就行。花生的运动同飞机停在地面时一样。你看，如果飞机以恒定的速度沿直线飞行，控制物体运动的自然法则与飞机静止时是一样的。我们称飞机内部为一个惯性参照系。（“惯性”一词原指牛顿第一运动定律。惯性是每个物体所固有的当没有外力作用时保持静止或匀速直线运动的属性。惯性参照系是一系列此规律成立的参照系。）
2：光在所有惯性系中速度相同--爱因斯坦假设此观点成立而做下面的“火车上的试验（确切的讲应是假想-不是实验.因为他的数据都是推出的）”
火车上的试验
火车以每秒100，000，000米/秒的速度运行，甲站在车上，乙站在铁路旁的地面上。甲用手中的电筒“发射”光子。
光子相对于甲以每秒300,000,000米/秒的速度运行，（此结论是由爱因斯坦根据“光在所有惯性系中速度恒定”这个假设得到的），甲以100,000,000米/秒的速度相对于乙运动。因此我们得出光子相对于Nolan的速度为400,000,000米/秒（此为爱因斯坦根据相对性原理得出的。）。
问题出现了：光子相对于乙的速度（400,000,000米/秒），为何与爱因斯坦的第二个假设（光速恒定：在任何惯性座标系中，不论光线源自静止或运动的光源，光速一律是常数。）不符呢！爱因斯坦说光相对于乙参照系的速度必需和Dave参照系中的光速完全相同，即都是300，000，000米/秒。产生这样的矛盾后，爱因斯坦没有去怀疑它的这个假想出的‘试验’中是否还欠缺什么条件没考虑到，而是草草的将假想出的结果进行分析,于是继续推论
（三）结论：
于是，通过“火车上的实验”的假想，和两个假设，以及不可靠的数据,爱因斯坦的狭义相对论产生了：只有在两种情况下爱因斯坦才能让它的两个假设都正确：要么距离相对于两个惯性系不同，要么时间相对于两个惯性系不同。他大胆的否定了绝对时空观，认为时间，空间，物质，能量和运动的相对概念，是由观察者的感觉决定的。从而出现了“尺短钟慢”现象，即第一种效果被称作“长度收缩”，第二种效果被称作“时间膨胀”。
1905年，爱因斯坦在一篇《运动物体中的电动力学》的文章中，总结了前人在这方面的成功和失败的经验，系统地提出了后来被称为“狭义相对论”的理论。为什么叫“相对论”呢？是因为他的理论出发点是两条主要的假设，第一条就叫“相对性原理”他的原话如下：物理体系的状态以变化的定律，同这些状态的变化与以两个彼此作相对匀速移动的坐标系中的哪一个作参考，是没有关系的。
让我们对此来解释一下：如果一个观察者关在一个密闭的火车厢内，火车对地面作匀速运动，他在里面通过做各式各样的物理实验，从而可以总结出相应的物理规律，但是他无论如何也不能知道车厢对地是否有运动，更不用说运动速度有多大了。匀速运动的火车速度快些或慢些，或者停下来，对他的实验和结论毫无影响。
注意，如果这个观察者只做力学实验，上面的话就是“力学相对性原理”。现在则没有限制，他可以做一切物理实验，特别是电磁学（包括光学）实验。所以，现在的“相对性原理”是过去“力学相对性原理”的推广。这一原理明确地指出了不存在任何一种特殊的优越的惯性系。
爱因斯坦引进的第二条假设——光速不变原理。用他的原话来说：任一条光线在“静止”坐标系中总是以确定的速度C运动，不管这条光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。需要说明，这里C指的是光在真空中的速度。因为一个光源的运动速度在两个相互作匀速运动的惯性系中看起来是不同的，所以光速不变原理有可表述为：光在真空中的传播速度总是各向同性的，与光源的运动速度无关。
光速不变性是真空中麦克斯韦方程组的推论。而这个方程组是电磁现象规律性的数学表述，所以要求光速不变原理成立，等于要求在真空中麦克斯韦方程在两个相互匀速运动的惯性系内都一样成立，也就是要求推广的相对性原理成立。由此可见，爱因斯坦的两个原理彼此是有联系的，不矛盾的。而且，一旦承认了这个光速不变原理，在地球表面这个惯性系里，光速当然是各向同性的。
三、狭义相对论与相对力学
在经典力学取得很大成功以后，人们习惯于将一切现象都归结为由机械运动所引起的。在电磁场概念提出以后，人们假设存在一种名叫“以太”的媒质，它弥漫于整个宇宙，渗透到所有的物体中，绝对静止不动，没有质量，对物体的运动不产生任何阻力，也不受万有引力的影响。可以将以太作为一个绝对静止的参照系，因此相对于以太作匀速运动的参照系都是惯性参照系。
在惯性参照系中观察，电磁波的传播速度应该随着波的传播方向而改变。但实验表明，在不同的、相对作匀速运动的惯性参照系中，测得的光速同传播方向无关。特别是迈克尔逊和莫雷进行的非常精确的实验，可靠地证明了这一点。这一实验事实显然同经典物理学中关于时间、空间和以太的概念相矛盾。爱因斯坦从这些实验事实出发，对空间、时间的概念进行了深刻的分析，提出了狭义相对论，从而建立了新的时空观念。
在狭义相对论中，空间和时间是彼此密切联系的统一体，空间距离是相对的，时间也是相对的。因此尺的长短，时间的长短都是相对的。但在狭义相对论中，并不是一切都是相对的。
相对论力学的另一个重要结论是：质量和能量是可以相互转化的。假使质量是物质的量的一种度量，能量是运动的量的一种度量，则上面的结论：物质和运动之间存在着不可分割的联系，不存在没有运动的物质，也不存在没有物质的运动，两者可以相互转化。这一规律己在核能的研究和实践中得到了证实。
当物体的速度远小于光速时，相对论力学定律就趋近于经典力学定律。因此在低速运动时，经典力学定律仍然是很好的相对真理，非常适合用来解决工程技术中的力学问题。
狭义相对论对空间和时间的概念进行了革命性的变革，并且否定了以太的概念，肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的特殊形式。由于空间和时间是物质存在的普遍形式，因此狭义相对论对于物理学产生了广泛而又深远的影响。
爱因斯坦创立的狭义相对论是本世纪物理学最伟大的成就之一。它从根本上改变了传统的时间、空间观念，建立了时间、空间的新观念，揭示了质量和能量的内在联系，给出了高速运动物体的运动规律。这个理论不仅由大量实验所证实，而且已经成为近代科学技术不可缺少的理论基础。
相对论是在研究运动物体的光学和动体电动力学的过程中产生的；是在旧理论出现了严重而深刻的矛盾中产生的；是爱因斯坦在前人工作的基础上，经过10年酝酿和探索而完成的。研究相对论的起源及其发展的历史对于我们的学习是有重要意义的，我们可以从中受到非常丰富的科学方法论的教益和启迪。
四、 广义相对论简介
狭义相对论在近代物理学的各个方面有着广泛的应用。但是提到相对论，我们不能不介绍所谓的广义相对论，它是爱因斯坦于1915—1916年间建立的一种引力理论。狭义相对论是正确的，广义相对论是基于狭义相对论的。如果后者被证明是错误的，整个理论的大厦都将垮塌。
经典力学的一个特征，是它不得不把空间和时间都看作是同物质一样独立的客观实在。在那里，一个质点的速度或加速度都是相对于一个绝对空间而言的，牛顿方程只是对于一个惯性系才有效。
牛顿说

相对论 只是爱因斯坦对他自己建立的那套理论起的名字。不用去想为什么就偏偏叫“相对论”，而不叫其他的什么论。

狭义相对论与广义相对论
襄樊学院物理系0011班 李伟
内容摘要：爱因斯坦创立了相对论。狭义相对论和广义相对论在近代物理学的各个方面有着广泛的应用。从狭义相对论到广义相对论经过了长时间的发、完善过程。
关键词：狭义相对论、广义相对论、历史背景、空时观念、惯性。
一、相对论产生的历史背景
爱因斯坦创立了相对论。实际上，相对论的创立经过了长时间的酝酿，是无数人辛勤劳动的结果。相对论有时也被称为关于空间、时间和引力的理论。
经典空时观念的破产，导致了相对论的建立。自古以来，空间概念来源于物体的广延性，时间概念则来源于过程的持续性。我国战国时期的著作墨经上说：“宇：弥异所也。”“久：弥异时也”。这里“宇”是空间的总称，“久”是时间的总称。“弥”是普遍的意思，“弥异所”即“不同地点的总称”，“弥异时”即“不同时刻的总称”，这是从具体过程中抽象出来的空间，时间概念。牛顿基本上也是这种观念，他把空间——时间看作为物理事件的载体或框架，一切事情都相对于它们而用空间坐标和时间坐标来加以描述。具体来说，空间既作为物质世界位置性质的表现，有作为容纳一切物质客体的容器。在这两种空间概念的结合上，牛顿作了更进一步的假定：在空间坐标的参考系中，存在一种优越地位的“惯性系”，对于它来说，物体运动遵从惯性定律，即不受力的物体保持其原有的静止或匀速直线运动状态。当物体受力F时，按牛顿定律F=ma产生加速度a，这在牛顿力学中，空间和时间不仅被看作为同物质一样的独立存在，而且还扮演了某种具有绝对意义的角色，它作为一个惯性系作用于一切物质客体。
与地球表面相连的参考系可看成是近似的参考系，但地球除自转外，还以30公里/秒的速度绕太阳运动，“坐地日行八万里，巡天遥看一千河。”因此，看来太阳系是更好的惯性系。但是，重要的是：即使是严格意义下的惯性系也不止一个。
我们从生活中的一些物理现象可以归纳出两点相互密切联系的结论：（1）相对于一个惯性系作匀速运动的参考系也是一个惯性系；（2）在一个惯性系内通过一切力学实验都不能判断这个惯性系相对于另一个惯性系的匀速直线运动状态。
如果限于直线运动，我们可以把经典力学中的速度相加定理叙述如下：如一惯性系（记为K′）相对于另一惯性系（记为K）的速度为v，若一物体相对于K′的速度为u，则它相对于K的速度为u±v（u、v同向时取“+”，反向时取“－”）。
为了描述质点的运动，让我们取两个相互作匀速直线运动的惯性系K和K′，它们的x和x′轴沿着运动方向，y和x′轴、z和z′轴平行，则空间一点P的坐标在K系中表示为（x，y，z），在K′系中表示为（x′，y′，z′）如图1.1所示。它们有如下关系：

在这里已假定在t=0时刻，K′系的原点O′和K系 原点O重合；另一个非常重要的假定：K′系的时间t′和K系的时间t是一样的，即t=t′ (1.2)
这意味着，K系的观察者可以共用一个钟，这和空间坐标不同，时间坐标是绝对的。（1.1）式和（1.2）式合起来叫做伽利略变换，它把两个惯性系间的空间、时间坐标联系起来。
从伽利略变换很容易推出经典力学的速度相加定理。如一质点沿x轴作匀速运动，在（1.1）式的第一式的两端各除以t，因为 是质点相对于K系的速度，而 是它相对于K′系的速度，故
u=u′+v （1.3）
另一方面，也很容易证明物体的力学运动规律，即牛顿方程F=ma，在伽利略变换F是不变的。这句话的意思是方程的形式在k系和k′系相同。在k系，一个粒子沿x方向的运动方程是ma=m =Fx (1.4)
因t′=t，由（1.1）式的第一式对时间求一次微商，得
即（1.3）式。再求导一次，因v为常数，即得 。
这表示K系数中的加速度a等于K′系中的加速度。假定在K′系中力 的大小与在K系中测得的力 相等，m也不变，于是从（1.4）得 （1.4）
它的形式和（1.4）式相似，所以和力学相对性原理等价的一个说法是：牛顿运动方程在伽里略变换下是不变的。
由此我们可以把前面的两句话改述如下：
一切力学规律在相互作匀速运动的惯性系内部都是相同的。这叫做“力学相对性原理”。
力学相对性原理是同惯性系间的伽里略变换一到的（或者说是相容的）。很明显，它们是建立在绝对空间——时间观念的基础之上的。不过，如果真的有一个绝对的静止的空间，并把它看作是一个优越的惯性系的话，那么通过任何力学实验也无法找到它，因为力学规律对一切惯性系都是一样的。
由上面的讨论可知，绝对空时观，伽里略变换，经典速度相加定理，力学相对性原理和无限多惯性系的存在，这五件事情是互相不矛盾的。

二、狭义相对论的产生过程
（一）狭义相对论的产生依据：
1、相对性原理：物理定律在任何惯性座标系中都具有相同形式。
2、光速恒定：在任何惯性座标系中，不论光线源自静止或运动的光源，光速一律是常数。
（二）爱因斯坦的两个实验：
1：所有惯性参照系中的物理规律是相同的（证明例子）
假设你正在一架飞机上，飞机水平地以每小时几百英里的恒定速度飞行，没有任何颠簸。一个人从机舱那边走过来，说：“把你的那袋花生扔过来好吗？”你抓起花生袋，但突然停了下来，想道：“我正坐在一架以每小时几百英里速度飞行的飞机上，我该用多大的劲扔这袋花生，才能使它到达那个人手上呢？”不，你根本不用考虑这个问题，你只需要用与你在机场时相同的动作（和力气）投掷就行。花生的运动同飞机停在地面时一样。你看，如果飞机以恒定的速度沿直线飞行，控制物体运动的自然法则与飞机静止时是一样的。我们称飞机内部为一个惯性参照系。（“惯性”一词原指牛顿第一运动定律。惯性是每个物体所固有的当没有外力作用时保持静止或匀速直线运动的属性。惯性参照系是一系列此规律成立的参照系。）
2：光在所有惯性系中速度相同--爱因斯坦假设此观点成立而做下面的“火车上的试验（确切的讲应是假想-不是实验.因为他的数据都是推出的）”
火车上的试验
火车以每秒100，000，000米/秒的速度运行，甲站在车上，乙站在铁路旁的地面上。甲用手中的电筒“发射”光子。
光子相对于甲以每秒300,000,000米/秒的速度运行，（此结论是由爱因斯坦根据“光在所有惯性系中速度恒定”这个假设得到的），甲以100,000,000米/秒的速度相对于乙运动。因此我们得出光子相对于Nolan的速度为400,000,000米/秒（此为爱因斯坦根据相对性原理得出的。）。
问题出现了：光子相对于乙的速度（400,000,000米/秒），为何与爱因斯坦的第二个假设（光速恒定：在任何惯性座标系中，不论光线源自静止或运动的光源，光速一律是常数。）不符呢！爱因斯坦说光相对于乙参照系的速度必需和Dave参照系中的光速完全相同，即都是300，000，000米/秒。产生这样的矛盾后，爱因斯坦没有去怀疑它的这个假想出的‘试验’中是否还欠缺什么条件没考虑到，而是草草的将假想出的结果进行分析,于是继续推论
（三）结论：
于是，通过“火车上的实验”的假想，和两个假设，以及不可靠的数据,爱因斯坦的狭义相对论产生了：只有在两种情况下爱因斯坦才能让它的两个假设都正确：要么距离相对于两个惯性系不同，要么时间相对于两个惯性系不同。他大胆的否定了绝对时空观，认为时间，空间，物质，能量和运动的相对概念，是由观察者的感觉决定的。从而出现了“尺短钟慢”现象，即第一种效果被称作“长度收缩”，第二种效果被称作“时间膨胀”。
1905年，爱因斯坦在一篇《运动物体中的电动力学》的文章中，总结了前人在这方面的成功和失败的经验，系统地提出了后来被称为“狭义相对论”的理论。为什么叫“相对论”呢？是因为他的理论出发点是两条主要的假设，第一条就叫“相对性原理”他的原话如下：物理体系的状态以变化的定律，同这些状态的变化与以两个彼此作相对匀速移动的坐标系中的哪一个作参考，是没有关系的。
让我们对此来解释一下：如果一个观察者关在一个密闭的火车厢内，火车对地面作匀速运动，他在里面通过做各式各样的物理实验，从而可以总结出相应的物理规律，但是他无论如何也不能知道车厢对地是否有运动，更不用说运动速度有多大了。匀速运动的火车速度快些或慢些，或者停下来，对他的实验和结论毫无影响。
注意，如果这个观察者只做力学实验，上面的话就是“力学相对性原理”。现在则没有限制，他可以做一切物理实验，特别是电磁学（包括光学）实验。所以，现在的“相对性原理”是过去“力学相对性原理”的推广。这一原理明确地指出了不存在任何一种特殊的优越的惯性系。
爱因斯坦引进的第二条假设——光速不变原理。用他的原话来说：任一条光线在“静止”坐标系中总是以确定的速度C运动，不管这条光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。需要说明，这里C指的是光在真空中的速度。因为一个光源的运动速度在两个相互作匀速运动的惯性系中看起来是不同的，所以光速不变原理有可表述为：光在真空中的传播速度总是各向同性的，与光源的运动速度无关。
光速不变性是真空中麦克斯韦方程组的推论。而这个方程组是电磁现象规律性的数学表述，所以要求光速不变原理成立，等于要求在真空中麦克斯韦方程在两个相互匀速运动的惯性系内都一样成立，也就是要求推广的相对性原理成立。由此可见，爱因斯坦的两个原理彼此是有联系的，不矛盾的。而且，一旦承认了这个光速不变原理，在地球表面这个惯性系里，光速当然是各向同性的。
三、狭义相对论与相对力学
在经典力学取得很大成功以后，人们习惯于将一切现象都归结为由机械运动所引起的。在电磁场概念提出以后，人们假设存在一种名叫“以太”的媒质，它弥漫于整个宇宙，渗透到所有的物体中，绝对静止不动，没有质量，对物体的运动不产生任何阻力，也不受万有引力的影响。可以将以太作为一个绝对静止的参照系，因此相对于以太作匀速运动的参照系都是惯性参照系。
在惯性参照系中观察，电磁波的传播速度应该随着波的传播方向而改变。但实验表明，在不同的、相对作匀速运动的惯性参照系中，测得的光速同传播方向无关。特别是迈克尔逊和莫雷进行的非常精确的实验，可靠地证明了这一点。这一实验事实显然同经典物理学中关于时间、空间和以太的概念相矛盾。爱因斯坦从这些实验事实出发，对空间、时间的概念进行了深刻的分析，提出了狭义相对论，从而建立了新的时空观念。
在狭义相对论中，空间和时间是彼此密切联系的统一体，空间距离是相对的，时间也是相对的。因此尺的长短，时间的长短都是相对的。但在狭义相对论中，并不是一切都是相对的。
相对论力学的另一个重要结论是：质量和能量是可以相互转化的。假使质量是物质的量的一种度量，能量是运动的量的一种度量，则上面的结论：物质和运动之间存在着不可分割的联系，不存在没有运动的物质，也不存在没有物质的运动，两者可以相互转化。这一规律己在核能的研究和实践中得到了证实。
当物体的速度远小于光速时，相对论力学定律就趋近于经典力学定律。因此在低速运动时，经典力学定律仍然是很好的相对真理，非常适合用来解决工程技术中的力学问题。
狭义相对论对空间和时间的概念进行了革命性的变革，并且否定了以太的概念，肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的特殊形式。由于空间和时间是物质存在的普遍形式，因此狭义相对论对于物理学产生了广泛而又深远的影响。
爱因斯坦创立的狭义相对论是本世纪物理学最伟大的成就之一。它从根本上改变了传统的时间、空间观念，建立了时间、空间的新观念，揭示了质量和能量的内在联系，给出了高速运动物体的运动规律。这个理论不仅由大量实验所证实，而且已经成为近代科学技术不可缺少的理论基础。
相对论是在研究运动物体的光学和动体电动力学的过程中产生的；是在旧理论出现了严重而深刻的矛盾中产生的；是爱因斯坦在前人工作的基础上，经过10年酝酿和探索而完成的。研究相对论的起源及其发展的历史对于我们的学习是有重要意义的，我们可以从中受到非常丰富的科学方法论的教益和启迪。
四、 广义相对论简介
狭义相对论在近代物理学的各个方面有着广泛的应用。但是提到相对论，我们不能不介绍所谓的广义相对论，它是爱因斯坦于1915—1916年间建立的一种引力理论。狭义相对论是正确的，广义相对论是基于狭义相对论的。如果后者被证明是错误的，整个理论的大厦都将垮塌。
经典力学的一个特征，是它不得不把空间和时间都看作是同物质一样独立的客观实在。在那里，一个质点的速度或加速度都是相对于一个绝对空间而言的，牛顿方程只是对于一个惯性系才有效。
牛顿说：“绝对空间，在其本质上，与外界的任何东西都无关，永远保持其为等同的而且不动的。”“绝对的、真实的，或数学的时间，它的本身，而且就其本质而言，总是与任何外界事物无关地均匀地流逝着。”牛顿曾经对绝对空间的存在作过如下的论证（水桶实验）：
我们使一个盛有水的水桶旋转。当桶已旋转而水还未动时，水面依然与静止时相同，是一个平面；但到最后水随桶一起旋转时，水面就呈现一个凹型曲面。这个实验表明：当水静止时，不管它是否与水桶有相对运动，水面都是平的；而当水旋转时，不管它是否与水桶相对静止，水面都是凹型曲面。由此看来，根据水面的平或去，可以判断水对绝对空间是静止的或是旋转的。
一句话，在牛顿力学中，承认有绝对的运动。但是，按照力学相对性原理，这种绝对运动在各惯性系间又显现为一种相对运动，特别地说来，沿一直线的绝对速度是无法靠力学手段测量的，速度总是相对于一特定的参考系才有意义。
在狭义相对论里，把力学相对性原理推广为“相对性原理”，一个惯性系相对于绝对空间的速度，靠任何物理手段都是测量不出来的。由此可见，“相对论”这个名称，同下面这个概念有关：从经验的观点看来，运动总是显现为一个物体相对于另一个物体的相对运动，一切绝对运动都是观察不到的。这样一个“相对性原理”在其最广泛的意义上可以陈诉如下：全部物理现象都具有这样的特征，即它们不为引进“绝对运动”的概念提供任何依据。或者可以用较简短而不那么精确的话说：没有绝对运动
在狭义相对论里，从这一“否定”的陈诉出发，得出了“肯定”的结论——一切自然定律对各惯性系都成立，或者反过来说，各惯性系在描述自然规律上是等效的。这样自然要产生如下的问题：既然运动不仅用速度，而且用加速度来描写，那么，如果速度概念只能有相对的意义，难道我们还应当把加速度当作绝对的概念吗？大家知道，相对于一个惯性系作加速度运动的参考系不再是一个惯性系，所以，爱因斯坦认为：相对性原理的进一步推广就要不仅承认速度是相对的，还要求承认加速度也是相对的，这就必然要求屏弃在狭义相对论中仍旧保留的那一点限制，那一点残留的经典力学基础——即自然定律只对惯性系才有效，而开始承认“自然定律对一切任意运动着的非惯性系也有效。”奠基在这样一种“广义相对性原理”之上的理论，便叫作“广义相对论”。
为了理解广义相对论，我们必须明确质量在经典力学中是如何定义的。
质量的两种不同表述：首先，让我们思考一下质量在日常生活中代表什么。“它是重量”？事实上，我们认为质量是某种可称量的东西，正如我们是这样度量它的：我们把需要测出其质量的物体放在一架天平上。我们这样做是利用了质量的什么性质呢？是地球和被测物体相互吸引的事实。这种质量被称作“引力质量”。我们称它为“引力的”是因为它决定了宇宙中所有星星和恒星的运行：地球和太阳间的引力质量驱使地球围绕后者作近乎圆形的环绕运动。
现在，试着在一个平面上推你的汽车。你不能否认你的汽车强烈地反抗着你要给它的加速度。这是因为你的汽车有一个非常大的质量。移动轻的物体要比移动重的物体轻松。质量也可以用另一种方式定义：“它反抗加速度”。这种质量被称作“惯性质量”。
因此我们得出这个结论：我们可以用两种方法度量质量。要么我们称它的重量（非常简单），要么我们测量它对加速度的抵抗（使用牛顿定律）。
人们做了许多实验以测量同一物体的惯性质量和引力质量。所有的实验结果都得出同一结论：惯性质量等于引力质量。
牛顿自己意识到这种质量的等同性是由某种他的理论不能够解释的原因引起的。但他认为这一结果是一种简单的巧合。与此相反，爱因斯坦发现这种等同性中存在着一条取代牛顿理论的通道。
日常经验验证了这一等同性：两个物体（一轻一重）会以相同的速度“下落”。然而重的物体受到的地球引力比轻的大。那么为什么它不会“落”得更快呢？因为它对加速度的抵抗更强。结论是，引力场中物体的加速度与其质量无关。伽利略是第一个注意到此现象的人。重要的是你应该明白，引力场中所有的物体“以同一速度下落”是（经典力学中）惯性质量和引力质量等同的结果。
现在我们关注一下“下落”这个表述。物体“下落”是由于地球的引力质量产生了地球的引力场。两个物体在所有相同的引力场中的速度相同。不论是月亮的还是太阳的，它们以相同的比率被加速。这就是说它们的速度在每秒钟内的增量相同。（加速度是速度每秒的增加值）
引力质量和惯性质量的等同性是爱因斯坦论据中的第三假设
爱因斯坦一直在寻找“引力质量与惯性质量相等”的解释。为了这个目标，他作出了被称作“等同原理”的第三假设。它说明：如果一个惯性系相对于一个伽利略系被均匀地加速，那么我们就可以通过引入相对于它的一个均匀引力场而认为它（该惯性系）是静止的。
让我们来考查一个惯性系K′，它有一个相对于伽利略系的均匀加速运动。在K 和K′周围有许多物体。此物体相对于K是静止的。因此这些物体相对于K′有一个相同的加速运动。这个加速度对所有的物体都是相同的，并且与K′相对于K的加速度方向相反。我们说过，在一个引力场中所有物体的加速度的大小都是相同的，因此其效果等同于K′是静止的并且存在一个均匀的引力场。
因此如果我们确立等同原理，两个物体的质量相等只是它的一个简单推论。 这就是为什么（质量）等同是支持等同原理的一个重要论据。
通过假定K′静止且引力场存在，我们将K′理解为一个伽利略系，这样我们就可以在其中研究力学规律。由此爱因斯坦确立了他的第四个原理。
五、 关于相对论一些问题的讨论
狭义相对论在科学上有什么问题？
实践是检验真理的唯一标准。狭义相对论并不是一建立就为大家接受的，知识在而后的大量科学实践证实它正确的时候，才被公认为真。当然，我们讲的并不是绝对真理，而是在一定的范围内、一定条件下适用的相对真理。看来在近代物理学各个领域，除天体物理必须考虑到引力之外，狭义相对论都可以应用。在狭义相对论不断扩展其应用的过程中，人们还特别设计了一些实验来直接检验它的正确性。迄今为止，并没有发现明显地与理论预告不符的事实或迹象。
但作为一种理论，还有第二方面的问题，即理论体系本身有无逻辑上的毛病？以及认识如何深化的问题。经过七十多年的探讨，可以说爱因斯坦理论并没有逻辑上的矛盾，但是确实存在一些逻辑循环。
爱因斯坦曾经说过，光速不变原理是他主观上作出的一种“约定”，有些人说，这是唯心主义。这样批评未免太浅薄了。我们应该问：爱因斯坦为什么要这样做？要这样说呢？在我们看来，关键在于必须在理论上对两个相互作匀速运动的惯性系内的空间——时间坐标（x，t和x′，t′），同时给出了明确的定义，没有这种定义，相对性原理便要落空——写不出对应的数学表述。在一个惯性系内定义（x，t）是有办法的，用一把“尺”和一个“钟”，也勉强过得去了。但要转到第二个惯性系上去，非依靠某种不变性不可，否则（x′，t′）便不可能有明确的定义，便不可能建立（x，t）和（x′，t′）之间的联系。在伽利略变换中，令t′=t，运动尺也不缩短，这就是一种“不变性”假定。所以，问题是用一个更合乎实际的假定来代替它。应该说，爱因斯坦采用“光速不变”来作假定是煞费苦心的：
（1） 它在当时就有一定的实验依据。
（2） 在宏观意义上非常明确
（3） 推出洛仑兹变换直截了当。
可是这样一来，也马上暴露出爱因斯坦理论的缺点。相对性原理的数学表述——洛仑兹协变性与麦克斯韦方程一结合立刻推出“光速不变”这个结论，因此最初把它作为原理提出来似乎是多余的，这就构成了所谓的逻辑循环。
不仅如此，人们还要问：在空间——时间坐标未有定义之前，何来“速度”概念？又怎能在实际上测量速度？这就是说，用光速不变去定义空时坐标，又陷入了逻辑循环。
总之，不引入“光速不变”假定，理论的第一步——推导洛仑兹变换就走不出去，更谈不上第二步用“相对性原理”去建立整个理论了；而引入“光速不变”假定，有势必陷入逻辑循环。对这种两难的局面，爱因斯坦无疑是充分了解的，他在权衡得失之后，决心走后一条路，赋予“光速不变”以无条件的绝对的意义，即把它提升到逻辑推理达不到的“原理”地位，同时又辩护说这个原理不过是一种“约定”，目的是强使理论中的逻辑循环在这一点打断，回避更深的追究。
七十年来，有许多人对这种隐含的逻辑循环感到不满意，同时也感到只有“相对性原理”才是狭义相对论唯一的本质，那个“光速不变原理”最好能够去掉，或者至少能够大大减弱。于是有人引进“极限速度原理”，有人则除空时均匀各向同性外再加上某种“对称性”，最后在数学上导出的线形洛仑兹变换式只出现一个“极限速度”ω，然后说，根据实验ω=c（光速），这点一经达到，以后的理论就与爱因斯坦的没什么两样了。
我们认为，假如一旦发现光速不是极限速度，ω是一个比光速c更大的数值的话，这样的理论比爱因斯坦理论无疑是一个进步，因为它是一个容量更大的框架。而假如象大多数人公认的那样光速是极限速度，那么，这种理论反而是退步了。原因是他们往往在没有给（x，t）和（x′，t′）下定义之前，就着手讨论变换关系了。其实一个数学变量如果没有任何守恒的性质，或者至少在原则上可以测量，那就不是一个有意义的物理量。试问：最后那个ω如等于声速，（x′，t′）难道还是K′系的空间——时间坐标吗？你必须赶紧假定ω=c，而这便是一个“物理的”而且是“相对性的”假定，把显含和隐含的全部假定算出去，并不比爱因斯坦的假定少，反而有所逊色，因为空时坐标模糊不清了。
由此可见，爱因斯坦引入“光速不变原理”和“相对性原理”这两个“相对性原理”来作为建立狭义相对论的基本骨架，这决不是偶然的，他做了他的时代条件下最好的工作。在七十年后的今天，我们不应该和他一起再进入逻辑循环去找缺口了，而应该看穿这个循环正好反映了理论的自洽性，因此在本质上，“相对性原理”只有一个而不是两个，而经验已经证明简单地砍去一个，保留另一个是不行的，只动“半截”理论是不行的，我们应当总结七十年来物理学研究的新经验，才有可能从根本上改进它。
六、相对论的适用范围及意义
相对论对研究物体高速运动成效做显著，它建立在量子力学之前，采用了一整套宏观的论证方法，这就给人一种印象，似乎它本质上是一种宏观理论，是继承了十九世纪经典物理学传统的杰作。后来，狭义相对论与量子力学相结合，产生了富有成果的基本粒子理论。人们认为这也是很自然的事情，取长补短，靠相对论纳入微观范畴。可是，两种据说是本质上不相同的东西结合起来，居然可以产生有生命力的东西，这一点难道是不奇怪的吗？难道不值得我们深思吗？
广义相对论的研究最近几年大大活跃起来了，天体物理的研究离不开它，因此它也更多地接受实践检验，这是件大好的事情。不过，我们应该看到，物质运动在质上是无限丰富的，而从方程式出发作演绎推论时，结论实际上早已隐含在大前提之中，尽管结论的前提是正确的，它也不可能穷尽一切。
相对论在物理学史上的划时代的意义，只有量子力学才能与它相比，而这在很大程度上要归功于爱因斯坦。

大段的看得眼都花，Einstein不有原话嘛，火炉旁的年轻小姐，哈哈！