狹義相對論就是
狹義相對論是建立在四維時空觀上的一個理論,因此要弄清相對論的內(nèi)容,要先對相對論的時空觀有個大體了解.在數(shù)學上有各種多維空間,但目前為止,我們認識的物理世界只是四維,即三維空間加一維時間.現(xiàn)代微觀物理學提到的高維空間是另一層意思,只有數(shù)學意義,在此不做討論.
四維時空是構(gòu)成真實世界的最低維度,我們的世界恰好是四維,至于高維真實空間,至少現(xiàn)在我們還無法感知.一把尺子在三維空間里（不含時間）轉(zhuǎn)動,其長度不變,但旋轉(zhuǎn)它時,它的各坐標值均發(fā)生了變化,且坐標之間是有聯(lián)系的.四維時空的意義就是時間是第四維坐標,它與空間坐標是有聯(lián)系的,也就是說時空是統(tǒng)一的,不可分割的整體,它們是一種”此消彼長”的關(guān)系.
四維時空不僅限于此,由質(zhì)能關(guān)系知,質(zhì)量和能量實際是一回事,質(zhì)量（或能量）并不是獨立的,而是與運動狀態(tài)相關(guān)的,比如速度越大,質(zhì)量越大.在四維時空里,質(zhì)量（或能量）實際是四維動量的第四維分量,動量是描述物質(zhì)運動的量,因此質(zhì)量與運動狀態(tài)有關(guān)就是理所當然的了.在四維時空里,動量和能量實現(xiàn)了統(tǒng)一,稱為能量動量四矢.另外在四維時空里還定義了四維速度,四維加速度,四維力,電磁場方程組的四維形式等.值得一提的是,電磁場方程組的四維形式更加完美,完全統(tǒng)一了電和磁,電場和磁場用一個統(tǒng)一的電磁場張量來描述.四維時空的物理定律比三維定律要完美的多,這說明我們的世界的確是四維的.可以說至少它比牛頓力學要完美的多.至少由它的完美性,我們不能對它妄加懷疑.
相對論中,時間與空間構(gòu)成了一個不可分割的整體——四維時空,能量與動量也構(gòu)成了一個不可分割的整體——四維動量.這說明自然界一些看似毫不相干的量之間可能存在深刻的聯(lián)系.在今后論及廣義相對論時我們還會看到,時空與能量動量四矢之間也存在著深刻的聯(lián)系.
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出相對論的坐標變換式,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尺.