物質(zhì)在相互作用中作永恒的運動,沒有不運動的物質(zhì),也沒有無物質(zhì)的運動,由于物質(zhì)是在相互聯(lián)系,相互作用中運動的,因此,必須在物質(zhì)的相互關(guān)系中描述運動,而不可能孤立的描述運動.也就是說,運動必須有一個參考物,這個參考物就是參考系.
伽利略曾經(jīng)指出,運動的船與靜止的船上的運動不可區(qū)分,也就是說,當(dāng)你在封閉的船艙里,與外界完全隔絕,那么即使你擁有最發(fā)達的頭腦,最先進的儀器,也無從感知你的船是勻速運動,還是靜止.更無從感知速度的大小,因為沒有參考.比如,我們不知道我們整個宇宙的整體運動狀態(tài),因為宇宙是封閉的.愛因斯坦將其引用,作為狹義相對論的第一個基本原理：狹義相對性原理.其內(nèi)容是：慣性系之間完全等價,不可區(qū)分.
著名的麥克爾遜·莫雷實驗徹底否定了光的以太學(xué)說,得出了光與參考系無關(guān)的結(jié)論.也就是說,無論你站在地上,還是站在飛奔的火車上,測得的光速都是一樣的.這就是狹義相對論的第二個基本原理：光速不變原理.
由這兩條基本原理可以直接推導(dǎo)出相對論的坐標(biāo)變換式,速度變換式等所有的狹義相對論內(nèi)容.比如速度變幻,與傳統(tǒng)的法則相矛盾,但實踐證明是正確的,比如一輛火車速度是10m/s,一個人在車上相對車的速度也是10m/s,地面上的人看到車上的人的速度不是20m/s,而是(20-10^(-15))m/s左右.在通常情況下,這種相對論效應(yīng)完全可以忽略,但在接近光速時,這種效應(yīng)明顯增大,比如,火車速度是0.99倍光速,人的速度也是0.99倍光速,那么地面觀測者的結(jié)論不是1.98倍光速,而是0.999949倍光速.車上的人看到后面的射來的光也沒有變慢,對他來說也是光速.因此,從這個意義上說,光速是不可超越的,因為無論在那個參考系,光速都是不變的.速度變換已經(jīng)被粒子物理學(xué)的無數(shù)實驗證明,是無可挑剔的.正因為光的這一獨特性質(zhì),因此被選為四維時空的唯一標(biāo)尺.
根據(jù)狹義相對性原理,慣性系是完全等價的,因此,在同一個慣性系中,存在統(tǒng)一的時間,稱為同時性,而相對論證明,在不同的慣性系中,卻沒有統(tǒng)一的同時性,也就是兩個事件(時空點)在一個慣性系內(nèi)同時,在另一個慣性系內(nèi)就可能不同時,這就是同時的相對性,在慣性系中,同一物理過程的時間進程是完全相同的,如果用同一物理過程來度量時間,就可在整個慣性系中得到統(tǒng)一的時間.在今后的廣義相對論中可以知道,非慣性系中,時空是不均勻的,也就是說,在同一非慣性系中,沒有統(tǒng)一的時間,因此不能建立統(tǒng)一的同時性.
相對論導(dǎo)出了不同慣性系之間時間進度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)運動的慣性系時間進度慢,這就是所謂的鐘慢效應(yīng).可以通俗的理解為,運動的鐘比靜止的鐘走得慢,而且,運動速度越快,鐘走的越慢,接近光速時,鐘就幾乎停止了.
尺子的長度就是在一慣性系中"同時"得到的兩個端點的坐標(biāo)值的差.由于"同時"的相對性,不同慣性系中測量的長度也不同.相對論證明,在尺子長度方向上運動的尺子比靜止的尺子短,這就是所謂的尺縮效應(yīng),當(dāng)速度接近光速時,尺子縮成一個點.
由以上陳述可知,鐘慢和尺縮的原理就是時間進度有相對性.也就是說,時間進度與參考系有關(guān).這就從根本上否定了牛頓的絕對時空觀,相對論認為,絕對時間是不存在的,然而時間仍是個客觀量.比如在下期將討論的雙生子理想實驗中,哥哥乘飛船回來后是15歲,弟弟可能已經(jīng)是45歲了,說明時間是相對的,但哥哥的確是活了15年,弟弟也的確認為自己活了45年,這是與參考系無關(guān)的,時間又是"絕對的".這說明,不論物體運動狀態(tài)如何,它本身所經(jīng)歷的時間是一個客觀量,是絕對的,這稱為固有時.也就是說,無論你以什么形式運動,你都認為你喝咖啡的速度很正常,你的生活規(guī)律都沒有被打亂,但別人可能看到你喝咖啡用了100年,而從放下杯子到壽終正寢只用了一秒鐘.