背景：
19世紀(jì)后期,隨著電磁學(xué)的發(fā)展,電、磁技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,同時(shí)對(duì)電磁規(guī)律的更加深入的探索成了物理學(xué)的研究中心,終于導(dǎo)致了麥克斯韋電磁理論的建立.麥克斯韋方程組(見(jiàn)§11-9)不僅完整地反映了電磁運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律,而且還預(yù)言了電磁波的存在,揭示了光的電磁本質(zhì).這是繼牛頓之后經(jīng)典物理學(xué)的又一偉大成就.
但是長(zhǎng)期以來(lái),物理學(xué)界機(jī)械論盛行,認(rèn)為物理學(xué)可以用單一的經(jīng)典力學(xué)圖像加以描述,其突出表現(xiàn)就是“以太假說(shuō)”.這個(gè)假說(shuō)認(rèn)為,以太是傳遞包括光波在內(nèi)的所有電磁波的彈性介質(zhì),它充滿(mǎn)整個(gè)宇宙.電磁波是以太介質(zhì)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài),帶電粒子的振動(dòng)會(huì)引起以太的形變,而這種形變以彈性波形式的傳播就是電磁波.如果波速如此之大且為橫波的電磁波真是通過(guò)以太傳播的話(huà),那么以太必須具有極高的剪切模量, 同時(shí)宇宙中大大小小的天體在以太中穿行,又不會(huì)受到它的任何拖曳力, 這樣的介質(zhì)真是不可思議.
從麥克斯韋方程組出發(fā),可以立即得到在自由空間傳播的電磁波的波動(dòng)方程(見(jiàn)§11-11),而且在波動(dòng)方程中真空光速c是以普適常量的形式出現(xiàn)的.但是從伽利略變換的角度看,速度總是相對(duì)于具體的參考系而言的,所以在經(jīng)典力學(xué)的基本方程式中速度是不允許作為普適常量出現(xiàn)的.當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為,既然在電磁波的波動(dòng)方程中出現(xiàn)了光速c,這說(shuō)明麥克斯韋方程組只在相對(duì)于以太靜止的參考系中成立,在這個(gè)參考系中電磁波在真空中沿各個(gè)方向的傳播速度都等于恒量c,而在相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的慣性系中則一般不等于恒量c.
于是這樣的情況出現(xiàn)了：經(jīng)典物理學(xué)中的經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電磁學(xué)具有很不相同的性質(zhì),前者滿(mǎn)足伽利略相對(duì)性原理,所有慣性系都是等價(jià)的；而后者不滿(mǎn)足伽利略相對(duì)性原理,并存在一個(gè)相對(duì)于以太靜止的最優(yōu)參考系.人們把這個(gè)最優(yōu)參考系稱(chēng)為絕對(duì)參考系,而把相對(duì)于絕對(duì)參考系的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為絕對(duì)運(yùn)動(dòng).地球在以太中穿行,測(cè)量地球相對(duì)于以太的絕對(duì)運(yùn)動(dòng),自然就成了當(dāng)時(shí)人們首先關(guān)心的問(wèn)題.最早進(jìn)行這種測(cè)量的就是著名的邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn).

圖 7-1
邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的裝置是設(shè)計(jì)精巧的邁克耳孫干涉儀(詳見(jiàn)§13-3),圖7-1是這種儀器的示意圖.從光源S射出的一束單色光,經(jīng)半透明膜G的透射和反射分解為互相垂直的兩束光,這兩束光各自經(jīng)歷一定長(zhǎng)度(l1和l2)的路徑后分別被平面反射鏡M1和M2反射回半透明膜G,再次經(jīng)反射和透射合成為一束光并到達(dá)望遠(yuǎn)鏡O, 在望遠(yuǎn)鏡O中可以觀察到兩束光的干涉條紋.如果兩束光的相位差發(fā)生變化,望遠(yuǎn)鏡中會(huì)觀察到干涉條紋的移動(dòng).實(shí)驗(yàn)時(shí)先讓一條光路沿地球運(yùn)動(dòng)的方向,同時(shí)觀察干涉條紋,然后緩慢將干涉儀旋轉(zhuǎn)90°,使另一條光路沿著地球運(yùn)動(dòng)的方向,這時(shí)應(yīng)該觀察到干涉條紋的移動(dòng),根據(jù)“以太假說(shuō)”計(jì)算干涉條紋移動(dòng)的數(shù)目為……
式中l(wèi)是光的波長(zhǎng),v是地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)速度.
1881年邁克耳孫首先完成了這一實(shí)驗(yàn),沒(méi)有觀察到預(yù)期的條紋移動(dòng).1887年邁克耳孫和莫雷改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置,將兩條光路的長(zhǎng)度延長(zhǎng)到11 m,預(yù)期的條紋移動(dòng)數(shù)目為0.4,是最小可觀測(cè)量的40倍,但仍未觀察到條紋的移動(dòng).邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的否定結(jié)果似乎在告訴篤信以太的人們,地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)并不存在,作為絕對(duì)參考系的以太并不存在.
（圖見(jiàn)：
http://www.nuist.edu.cn/courses/wlx/chpt07/section01/topic02/kcnr.htm）
愛(ài)因斯坦認(rèn)為,應(yīng)該與機(jī)械論徹底決裂,應(yīng)該完全拋棄以太假說(shuō),電磁場(chǎng)是獨(dú)立的實(shí)體,是物質(zhì)存在的一種基本形態(tài).電磁現(xiàn)象與力學(xué)現(xiàn)象一樣,不應(yīng)該存在某個(gè)特殊的最優(yōu)參考系.相對(duì)性原理應(yīng)該具有普遍意義,不僅經(jīng)典力學(xué)規(guī)律,而且經(jīng)典電磁學(xué)規(guī)律和其他物理學(xué)規(guī)律,在所有慣性系中都應(yīng)該保持不變的數(shù)學(xué)形式.這樣一來(lái),就必須尋找或建立各慣性系之間的新的變換關(guān)系,以代替伽利略變換.
意義：
狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論建立以來(lái),已經(jīng)過(guò)去了很長(zhǎng)時(shí)間,它經(jīng)受住了實(shí)踐和歷史的考驗(yàn),是人們普遍承認(rèn)的真理.
相對(duì)論對(duì)于現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展和現(xiàn)代人類(lèi)思相的發(fā)展都有巨大的影響.
相對(duì)論從邏輯思想上統(tǒng)一了經(jīng)典物理學(xué),使經(jīng)典物理學(xué)成為一個(gè)完美的科學(xué)體系.狹義相對(duì)論在狹義相對(duì)性原理的基礎(chǔ)上統(tǒng)一了牛頓力學(xué)和麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)兩個(gè)體系,指出它們都服從狹義相對(duì)性原理,都是對(duì)洛倫茲變換協(xié)變的,牛頓力學(xué)只不過(guò)是物體在低速運(yùn)動(dòng)下很好的近似規(guī)律.廣義 相對(duì)論又在廣義協(xié)變的基礎(chǔ)上,通過(guò)等效原理,建立了局域慣性長(zhǎng)與普遍參照系數(shù)之間的關(guān)系,得到了所有物理規(guī)律的廣義協(xié)變形式,并建立了廣義協(xié)變的引力理論,而牛頓引力理論只是它的一級(jí)近似.這就從根本上解決了以前物理學(xué)只限于慣性系數(shù)的問(wèn)題,從邏輯上得到了合理的安排.相對(duì)論嚴(yán)格地考察了時(shí)間、空間、物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)這些物理學(xué)的基本概念,給出了科學(xué)而系統(tǒng)的時(shí)空觀和物質(zhì)觀,從而使物理學(xué)在邏輯上成為完美的科學(xué)體系.
狹義相對(duì)論給出了物體在高速運(yùn)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并提示了質(zhì)量與能量相當(dāng),給出了質(zhì)能關(guān)系式.這兩項(xiàng)成果對(duì)低速運(yùn)動(dòng)的宏觀物體并不明顯,但在研究微觀粒子時(shí)卻顯示了極端的重要性.因?yàn)槲⒂^粒子的運(yùn)動(dòng)速度一般都比較快,有的接近甚至達(dá)到光速,所以粒子的物理學(xué)離不開(kāi)相對(duì)論.質(zhì)能關(guān)系式不僅為量子理論的建立和發(fā)展創(chuàng)造了必要的條件,而且為原子核物理學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用提供了根據(jù).
廣義相對(duì)論建立了完善的引力理論,而引力理論主要涉及的是天體.到現(xiàn)在,相對(duì)論宇宙學(xué)進(jìn)一步發(fā)展,而引力波物理、致密天體物理和黑洞物理這些屬于相對(duì)論天體物理學(xué)的分支學(xué)科都有一定的進(jìn)展,吸引了許多科學(xué)家進(jìn)行研究.
一位法國(guó)物理學(xué)家曾經(jīng)這樣評(píng)價(jià)愛(ài)因斯坦：“在我們這一時(shí)代的物學(xué)家中,愛(ài)因斯坦將位于最前列.他現(xiàn)在是、將來(lái)也還是人類(lèi)宇宙中最有光輝的巨星之一”,“按照我的看法,他也許比牛頓更偉大,因?yàn)樗麑?duì)于科學(xué)的貢獻(xiàn),更加深入地進(jìn)入了人類(lèi)思想基本要領(lǐng)的結(jié)構(gòu)中.”