狭义相对论

狭义相对论（Special theory of relativity）是阿尔伯特·爱因斯坦 他提出了不同于牛顿 1905年发表在一篇题为 《论动体的电动力学》的文章中。狭义”表示它仅适用于惯性参考系。这个理论的出发点是两个基本假设：狭义相对性原理和光速不变原理。该理论的核心方程是洛伦兹变换（群）请参见惯性系的坐标变换）狭义相对论预言了一些新的效应经典物理学所没有的（相对论效应），如时间膨胀、长度收缩、横向多普勒效应、质速关系、质能关系等。狭义相对论已经成为现代物理理论的基础之一：所有微观物理理论（如基本粒子理论）和宏观引力理论（如广义相对论）都符合狭义相对论的要求。这些相对论动力学理论已经被许多高精度的实验所证实。

狭义相对论不仅包括时间膨胀等一系列推论，还包括麦克斯韦－赫兹方程变换等。狭义相对论需要使用引入张量的数学工具。

狭义相对论是牛顿的延伸时空理论要理解狭义相对论，就要理解四维时空，它的数学形式是闵可夫斯基几何空间。

。从这个意义上说，狭义相对论仍然是一个经典理论。

(《狭义相对论》)211211)

狭义相对论 在光学和电动力学的实验中与经典物理理论是一样的“矛盾”的激励下产生的。

狭义相对论

在1905年之前，已经发现一些电磁现象与经典物理概念同相“抵触”，它们是：

①迈克耳孙－在莫雷实验中没有观察到地球相对于以太的运动，这与经典物理理论中的结果相同“绝对时空”和“以太”概念产生矛盾。

②运动物体的电磁感应现象表现出相对性磁铁运动还是导体运动，效果是一样的。

3电子电荷与惯性质量之比（荷质比）它随着电子速度的增加而减小。此外，电磁规律（麦克斯韦方程组）在伽利略变换下不是不变的，也就是说，电磁定律不满足牛顿力学中的伽利略相对性原理。

扩展牛顿 使它能满意地解释上述新现象的理论成了19世纪末的事、20世纪初的紧迫任务。以H.以洛伦茨为代表的许多物理学家修正了牛顿 s理论通过在牛顿力学的框架内引入各种假设，最终导致了许多与实验结果一致的新方程，如时间变慢和长度收缩的假设、质量速度关系 s公式和质能关系，甚至得到了洛伦兹变换。所有这些公式都包含了真空中的光速。如果只是为了解释现有的新现象，这些公式是足够的，但它们来自不同的假设或不同的模型而不是同一个物理理论。此外，使用牛顿 的绝对时空观来解释洛伦兹变换和真空中的光速。这种不协调的情况表明旧的物理概念即将向新的物理概念转变。爱因斯坦意识到，解决这种不协调状况的关键是同时的定义，同时的概念没有绝对的意义。而牛顿时空理论（或伽利略变换）现实世界中没有办法实现时间。为了利用光信号设置时钟，爱因斯坦假设单向光速是恒定的，与光源的运动无关（光速不变原理）此外，他直接扩展了伽利略 s相对论原理到狭义相对论原理，从中得出洛伦兹变换，进而建立狭义相对论。

狭义相对性原理：一切物理定律（除重力外的力学定律、电磁学定律和其他相互作用的动力学定律）适用于所有惯性系统；换句话说，所有的物理定律（除引力外）的方程在洛仑兹变换下保持不变。不同时间进行的实验给出了相同的物理规律，这就是相对性原理的实验基础。

光速不变原理：光在真空中总是以一定的速度c传播，速度与光源的运动状态无关。在真空中的各个方向，光信号的传播速度（即单向光速）的大小均相同（即光速各向同性）光速与光源的运动状态和观测者的惯性系无关。这个原理与经典力学不相容。有了这个原理，我们就可以准确定义不同地方的同时性。

如果在一个惯性系中，不同空间点的两个物理事件似乎是同时发生的，那么在相对于这个惯性系运动的其他惯性系中，似乎就不再是同时发生的了（时间是一个坐标数据，在一个坐标系中“时间维坐标”不同位置的相同两点在另一个坐标系中“时间维坐标”不同是很正常的）因此，在狭义相对论中，同时性的概念不再具有绝对意义（没有绝对的坐标数据，同一点在不同坐标系下的四个坐标数据可以完全不同）与惯性系有关，只有相对意义。然而，对于在同一空间点的两个事件，同时性仍然具有绝对的意义（三维空间坐标相同的两个不同的时空点，仍然是两个不同的时间点；而狭义相对论规定这两个不同时空点的时间维度距离是等价的，这是绝对有意义的）

让牛顿 力学第一定律（惯性定律）建立的参考系称为惯性系。狭义相对论的公式和结论只在惯性系中有效。两个惯性系统k和k'两者之间的坐标变换是洛伦兹变换：

(《狭义相对论》)211211)

也可以写成洛伦兹群的形式，洛伦兹变换可以根据群的定义来验证，这里不做具体证明，或者找一本群论的教材。

式中（c是一个简单的数学数据，假设时钟光子在三维空间中以1米的匀速直线运动，就是时间坐标数据“1秒/c”是光在真空中传播的速度，v是k'系统相对于k系统的速度。

洛伦兹变换是一种线性变换，时空坐标变为任意坐标区间，其形式不变。所以洛伦兹变换中的时空坐标也可以看作任意坐标区间比如x，y，z 是惯性系K中的位移，T是惯性系K中的时间间隔，x‘,y’,z‘ 在惯性系k中’中的移位，t‘是在惯性系K’时间间隔在 。这里K系和K'坐标轴选择为相互平行且两个系统的坐标原点在初始时刻重合，所以这里给出的变换是一个没有空间旋转的特殊洛伦兹变换。更一般的变换是把k'系统的坐标轴相对于K系统作任意空间旋转，相应的变换称为广义洛伦兹变换。另外，如果两个系统的原点在初始时刻不重合，对应的变换就是在洛仑兹变换中的每个公式右边加一个常数（称为时空平移）使它们成为非齐次线性变换，称为庞加莱变换。

洛伦兹变换是狭义相对论中最基本的关系，它反映了时间和空间是不可分的要确定一个事件，必须同时使用三个空间坐标和一个时间坐标这四个坐标（数据）形成的空间叫做四维空间（四维时空）

低速时，被观测物质的速度也远小于光速，洛伦兹变换率约为“1'退化到近似伽利略变换。相对论力学是以相对性原理为基础的（牛顿力学）和洛伦兹变换一样，牛顿力学是狭义相对论的特殊形式（洛伦兹转换率约为“1'的情况下）低速时，狭义相对论力学类似于牛顿力学。