狭义相对论基本原理

在物体低速运动范围内，伽利略变换和经典力学相对性原理是符合实际情况的．然而，在涉及电磁现象，包括光的传播现象时，经典力学相对性原理和伽利略变换却遇到了不可克服的困难，即在伽利略变换下，电磁学的基本规律具有不同的表现形式，这就是说，描述宏观电磁现象规律的麦克斯韦方程不符合伽利略相对性原理．这就意味着，如果伽利略变换是普遍适用的，那么，麦克斯韦方程只能对某个特定的惯性系是正确的．

图13.2　迈克尔逊-莫雷实验原理图

19世纪末，在光的电磁理论发展过程中，有人认为宇宙间充满一种叫做以太的介质，光是靠以太来传播的，以太充满整个空间，即使真空也不例外，相对以太静止的参考系被称为以太参考系或绝对参考系．麦克斯韦电磁场理论只在绝对参考系中才成立，也就是只有在以太参考系中光在各个方向上的传播速度相等．根据这个观点，当时的物理学家设计了各种实验证明以太的存在，其中，以美国科学家迈克尔逊（A.A.Michelson）和莫雷（E.W.Morley）的实验最为著名．根据他们的设想，地球以一定的速度相对以太运动，那么，在地球参考系中光沿不同方向传播的速度是不同的，这样应该在他们所设计的干涉实验中得到某种预期的结果，从而可求得地球相对以太的速度，证明以太参考系的存在．迈克尔逊的实验装置就是迈克尔逊干涉仪，如图13.2所示，它的两臂GM1和GM2长度相等，由光源发出的光，入射到半透半反镜G后，一部分反射到平面镜M2，再由M2反射回来透过G到达望远镜E；另一部分则透过G到达M1，再由M1和G反射到达E．设图中v为地球相对以太的速度，按经典力学时空观，由于两光束相对地球的速度不同，即使行经相等的臂长，但所需的时间是不一样的，在干涉仪中将看到干涉条纹．如果将仪器旋转90°，使两光束相对地球的速度发生变化，这样，光束通过两臂的时间差也随之发生变化，由光的干涉原理，必然能够观察到干涉条纹的相应移动．

但是，迈克尔逊和莫雷在不同条件下多次反复进行的测量都始终观察不到干涉条纹的移动．这一实验结果表明无法分辨出光速在不同方向上的差别，当然，也无法分辨出光速在不同惯性系中的差别．这样，原本为验证以太参考系而进行的实验，却成为否定以太参考系存在的证据．

迈克尔逊-莫雷实验及其他一些实验结果给人们带来了困惑，似乎相对性原理只适用于牛顿定律，而不能适用于麦克斯韦的电磁场理论，即电磁理论与伽利略相对性原理存在矛盾．要解决这一难题必须在物理观念上进行变革．爱因斯坦坚信自然界的统一性和对称性，他在深入研究经典力学和麦克斯韦电磁场理论的基础上，认为相对性原理具有普适性，包括电磁现象在内的一切物理现象都应满足相对性原理；此外，他还认为相对以太的绝对参考系是不存在的，光速是一个与惯性系无关的常量．1905年，物理学家爱因斯坦（A.Einstein）摒弃了以太假设和伽利略变换，从一个完全崭新的角度出发，提出了狭义相对论的两条基本原理：

（1）相对性原理：物理规律在一切惯性系中都具有相同的表达形式，也就是说，所有惯性系对于物理现象的描述都是等价的．显然，狭义相对论的相对性原理是伽利略相对性原理的推广．伽利略相对性原理说明了一切惯性系对力学规律的等价性，而狭义相对论的相对性原理却把这种等价性推广到包括力学定律和电磁学定律在内的一切自然规律上去．

（2）光速不变原理：在任何惯性系中，光在真空中的传播速度都相等．这就是说，真空中的光速是常量，它与光源或观测者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择．