狭义相对论介绍（5分钟帮你看懂狭义相对论）

狭义相对论的核心原理只有两条，狭义相对性原理和光速不变原理，其中光速不变原理非常难以被人理解和接受，主要是不太符合人的直觉。由于我们在小学数学中对行程问题有很多的训练，对速度相加的法则非常熟练，到中学开始又学习了牛顿力学，这些都是绝对时空观的知识，在脑海中已经根深蒂固，不知不觉就会跳出来干扰人的思考。所谓直觉，其实是人习惯了的思考方式，是可以练习的。狭义相对论不太符合我们通常的直觉，我们需要建立新的直觉。

看一个理论是否正确，主要有两个方面，一个是看这个理论内部有没有逻辑矛盾，另一个是看这个理论的计算和预测是否与实验和观测的数据相符合。每个人其实都是在自己的逻辑体系里面进行思考，他会很难发现自己的错误，而且认为与自己体系不符合的观点是错误的。科学的方法是假设对方的观点或者理论正确，然后在这个观点或理论中寻找逻辑矛盾，或者找到与可观测的现实结果不一致的地方。

这里有一个有意思的故事，在光的波动理论刚建立的时候，法国数学家泊松反对波动光学，他根据光的波动理论计算出，如果用光照射一个不透明的圆盘，在圆盘背后阴影的中央会出现一个亮斑。他认为这是荒谬的，因而波动光学是错误的。波动光学的支持者们就根据泊松的计算做了实验，结果发现圆盘背后真的有一个亮斑，这个亮斑后来就叫做泊松亮斑。泊松的计算反而支持了波动光学。泊松反对波动光学的方法是科学的。

因为相对论与人的直觉不相符合，反对相对论的人很多。前一阵，河北燕山大学的教授宣称已经推翻爱因斯坦相对论，研究项目被推荐入选2021年河北省科学技术奖，这个项目后来被取消。包括“北京相对论研究联谊会”这个反相对论的机构也被北京市民政局取缔。按说人有研究的自由，但是他们这些研究误导了社会，骗取经费，影响很不好。其实科学界研究相对论的科学家是最希望“推翻”（更恰当的说法是改进）相对论的。他们按照科学规范发表各种论文，进行各种极其高精度的实验，一旦发现问题，就有可能改进相对论。100多年来，这些研究和实验都是支持了相对论。

再回到狭义相对论，狭义相对论的体系并没有逻辑矛盾。很多人发现矛盾，是因为他还在牛顿力学中进行思考。重要的话说三遍：不要在牛顿力学中反对相对论！不要在牛顿力学中反对相对论！不要在牛顿力学中反对相对论！

我们来尝试按照狭义相对论的思路去理解它。首先来看第一条原理，狭义相对性原理。狭义相对性原理是说，在一切惯性系中物理定律都是等价的，或者说我们不能通过物理实验来发现不同惯性系的区别。所谓的惯性系，简单来说就是匀速直线运动的参考系。

我们坐在火车上与另一列火车错车而过的时候，常常会有一种体验，以为我们所坐的火车是静止的，而另一列火车在运动。等两列火车错开，才发现对面的火车停在站台上根本没有动，而是自己所在的火车在动。我们乘坐其他匀速直线行驶的交通工具时，也会有分不清静止还是运动的感觉。有人在匀速直线行驶的高铁窗台上面立起硬币、签字笔、手机、倒立的矿泉水瓶等物体，能够长时间稳定的直立不倒，水面平稳不晃。高速运动的火车上如同静止一样，不观察窗外的景物，根本不能发现火车在运动。而观察窗外发现火车运动是因为人事先假设了窗外景物是静止的，如果窗外悬挂一副很长的画布，并且拉画布运动，那么车内并不能区分出画布在动还是火车在动。

不仅人的感觉无法区分火车是否运动，人们还做了各种精确的物理实验，发现任何物理实验都无法从内部区分静止和匀速直线运动的火车。这就表明在静止和匀速直线运动的火车上具有相同的物理定律。用物理学的语言表述就是狭义相对性原理，也就是物理定律对一切惯性参考系都是等价的。这个原理又叫“舟行不觉原理”，源于东汉时期的《尚书纬•考灵曜》一书：“人在大舟中，闭牖（yǒu，窗户）而坐，舟行而人不觉也”。这一原理是由伽利略首先发现的，所以也叫伽利略相对性原理。一般来说，伽利略相对性原理仅限于力学。狭义相对性原理，适用于所有的物理学，包括电磁学等。

到现在为止，还没有发现违反这一原理的物理现象。狭义相对性原理是物理学最基本的原理之一。这一原理非常重要，它表明了惯性参考系的等价性。我们可以知道，遥远的星系和地面实验室中具有同样的物理定律，因而在地面实验室中就可以对遥远的星系中发生的物理过程进行研究，否则这就是不可能的。

狭义相对性原理也表明，绝对静止的惯性参考系，也就是牛顿所谓的绝对空间是不存在的，因为所有相对运动的惯性系都完全等价，不存在哪一个惯性系比其他惯性系更加优越。

狭义相对性原理比较容易理解，难以理解的是第二条原理，光速不变原理。

光速不变原理是说，无论在哪一个惯性参考系中观察，光在真空中的传播速度都是一个常数，不随光源和观察者的运动速度而改变。这个真空中光速常数的精确数值是299792458米/秒，约为30万公里每秒。

这一原理有两个含义，一个是真空中光速与光源的运动速度无关，另一个是真空中光速与观察者的运动速度无关。这个我们必须分开来看，否则理解会非常困难。真空中光速与光源的运动速度无关，意思是说，在同一个惯性参考系统观察，不同运动速度的光源发出的光的速度都完全一样。

这与人的直觉很不一致，假设一列火车向前运动的同时向前方发出一束光，我们知道标枪运动员投掷前助跑能够提高标枪的投掷速度。通常我们会认为静止观察者观察到的光速也会变快，速度为静止光速与火车运动速度的和，也就是速度相加。光相对于光源，也就是运动火车的速度为C。运动火车相对静止观察者的速度为V，光相对于静止观察者的速度似乎就应该是v加上C。这是一个错误的理解，实际上，不知不觉引入了牛顿的绝对时空，假设运动火车与静止观察者的时空是完全一样的，把两个不同时空中的速度进行相加，如同把人民币与美元直接进行相加，得到的什么都不是。

1964年在日内瓦的欧洲核子研究中心CERN，使用由中性π介子组成的辐射源以99.975%倍光速的速度前进，测得沿运动方向发射的光子速度同静止辐射源测的光速极其一致，实验误差为1.3*10^-4左右。这个实验证实高速运动的光源发出的光，速度依然不变。我们的直觉很不靠谱。

我们看到的夜空是稳定的，恒星是一个光点，位置常年固定不变。如果星光的速度有差异，那么我们看到的星光将大不一样。天空所有的恒星都在进行着自转和各种公转，恒星在不同时间以及恒星表面的不同部位，或者靠近或者远离地球，相对地球的速度都是不同的。我们知道，马拉松跑步时，由于跑步速度的不同，一开始聚集在一起的人们会逐渐拉得很开。如果同一时刻从恒星表面发出来的光速度有1米/秒的差异，那么这些光在宇宙中传播1亿年后，距离将会相差三万亿公里。因此，我们将看不到同一时刻的恒星。我们看到的同一颗恒星的光将来自于不同的历史。我们看到的恒星可能是一条带状或者一个线段，而不是一个光点。每一张星空的照片，实际上都证明了光速是不变的。

其实，空气中声音的速度也与声源的运动速度无关。静止不动的人和快速跑步的人发出的声音在无风的空气中传播速度完全一样，都是340米/秒。超音速飞机会把它产生的声波留在后面形成激波。水波的传播速度也与波源运动速度无关，快速运动的游艇可以超过它产生的水波。

麦克斯韦的电磁理论指出，光是一种电磁波，是电磁振荡在空间的传播，振荡的电场在周围产生振荡的磁场，振荡的磁场又在周围产生振荡的电场，如此循环往复，向远处传播。这个电磁振荡在真空中传播的速度固定不变，可以通过波动方程准确的计算出来，它的值就是真空中的光速常数，为299792458米/秒。

与声波和水波的传播速度与波源运动速度无关一样，光也是一种波--电磁波。在光源发出光的瞬间，光就以电磁波的形式，按照电磁规律，以固定的速度向远处传播，传播的速度与光源运动速度无关。

与标枪的例子不一样，标枪在运动员投掷出去以前一直是存在的，并且和运动员一起运动。而在光源发出光以前，光是不存在的，并不是由光源携带一起运动，光只是光源在真空中激发出的电磁场波动，它一产生就只能按照电磁规律以固定的速度传播。如同无足鸟的传说一样，有一种鸟它没有脚，一生下来就只能不停的飞，不停的飞。

理论和实验都证实了真空中光速与光源的运动速度无关。通过上面的思考，我们可以加深理解，为什么光速与光源运动速度无关，改变我们以前形成的直觉，或者说是错觉。

光速不变原理的第二个部分是真空中光速与观察者的运动速度无关。

人们都知道，静止的飞机被鸟撞上会毫发无伤，而飞行中的飞机被鸟撞上却会被撞出一个大洞，甚至机毁人亡。在高速飞行的飞机上看来，鸟的速度变快了很多。我们的直觉也会觉得观察者相对光源运动可能会观察到更快的光速。

这里我们把自己当作观察者了。有一种寒冷叫你妈觉得你冷。妈妈习惯于代替自己的孩子进行思考和感受，鞋子舒服不舒服只有脚知道。观察者观察到的光速有没有变快，一定得问观察者自己。其他任何人毕竟都不是观察者，最多只能算是观察者的观察者。观察者观察到的速度必须要在观察者所在的参考系中来看。从观察者的角度，他自己是静止不动的，是一个惯性参考系。光源在相对观察者运动。根据狭义相对性原理，物理定律在一切惯性系中都是等价的。如果真空中的光速在一个惯性系中与光源运动速度无关，那么，在一切惯性系中都会观察到真空中光速与光源运动速度无关，因此这个观察者观察到的光速也是固定不变的，与光源运动速度无关的。

假设观察者在火车K中做物理实验，在他睡觉时，火车K以速度V运动起来，成为了另一个惯性系K’，观察者醒来继续实验。狭义相对性原理表明，他观测到的真空中光速完全一样，同样也与光源的运动无关。他完全没有发现自己已经换了一个惯性系。因此，真空中的光速与光源的运动速度无关，也与观察者的运动速度无关，是一个固定不变的常数。这就是完整的光速不变原理。

这里我们没有在用空气中的声速进行类比，虽然无风的空气中声速也与声源的运动速度无关，但只是相对于静止的观察者。运动和静止的观察者，相对声速是不对等的。一个相对空气运动，而另一个相对空气静止，他们观察的声速也就不一样，而真空对于任何惯性系都没有任何区别。

在现代国际单位制中，光速只是一个定义。先给出秒的定义，然后定义一米为光在真空中1/299792458秒内行进的距离。这样通过单位制的约定，在任一个惯性系中，光在真空中的速度都是299792458米/秒。

光速不变原理非常难以理解，但是它经过了严谨的理论计算和精确的实验验证，经过了上百年的考验，已经不用质疑。上面关于光速不变原理的内容并不是论证，只是试图去理解它，实际上还有更复杂的内容。

有了狭义相对性原理和光速不变原理，就可以建立起狭义相对论的整个理论体系，推导出所有的公式，包括钟慢效应、尺缩效应、同时的相对性、质能方程等等。这里就不多介绍了，一下子也介绍不过来。

这些效应都不太容易理解，理解的关键就是放弃牛顿绝对时空观，接受相对运动的不同观察者具有不同的时空，也就是换位思考，想知道谁的观察结果就问谁，不要代替别人做结论。放下已经形成的直觉和成见非常困难，一旦放下，新的世界就会呈现在眼前。

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