狭义相对论的概念

狭义相对论是由爱因斯坦、洛仑兹和庞加莱等人创立的时空理论，是对牛顿时空观的拓展和修正。牛顿力学是狭义相对论在低速情况下的近似。背景伽利略变换与电磁学理论的不自洽 到19世纪末，以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所证实，但麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性。而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。迈克耳孙寻找以太的实验 为解决这一矛盾，物理学家提出了“以太假说”，即放弃相对性原理，认为麦克斯韦方程组只对一个绝对参考系（以太）成立。根据这一假说，由麦克斯韦方程组计算得到的真空光速是相对于绝对参考系（以太）的速度；在相对于“以太”运动的参考系中，光速具有不同的数值。实验的结果——零结果 但斐索实验和迈克耳孙-莫雷实验表明光速与参考系的运动无关。该实验结果否定了以太（ether）假说，表明相对性原理的正确性。洛伦兹把伽利略变换修改为洛伦兹变换，在洛伦兹变换下，麦克斯韦方程组具有相对性原理所要求的协变性。洛伦兹的假说解决了上述矛盾，但他不能对洛伦兹变换的物理本质做出合理的解释。随后数学家庞加莱猜测洛伦兹变换和时空性质有关。爱因斯坦的狭义相对论爱因斯坦意识到伽利略变换实际上是牛顿经典时空观的体现，如果承认“真空光速独立于参考系”这一实验事实为基本原理，可以建立起一种新的时空观（相对论时空观）。在这一时空观下，由相对性原理即可导出洛伦兹变换。1905年，爱因斯坦发表论文《论动体的电动力学》，建立狭义相对论，成功描述了在亚光速领域宏观物体的运动。狭义相对论的基本原理 光速不变原理。在所有惯性系中，真空中的光速都等于c=1/根号（μ0ε0）=299 792 458 m/s（μ0：真空磁导率，ε0：真空介电常数），与光源运动无关。迈克耳孙－莫雷实验是其有力证明。狭义相对性原理。在所有惯性系中，物理定律有相同的表达形式。这是力学相对性原理的推广，它适用于一切物理定律，其本质是所有惯性系平权。狭义相对论，是仅描述平直线性的时空（指没有引力的，即闵可夫斯基时空）的相对论理论。牛顿的时空观认为运动空间是平直非线性的时空，可以用一个三维的速度空间来描述；时间并不是独立于空间的单独一维，而是空间坐标的自变量。狭义相对论同样认为空间和时间并不是相互独立的，而它们应该用一个统一的四维时空来描述，并不存在绝对的空间和时间。在狭义相对论中，整个时空仍然是平直线性的，所以在其中就存在“全局惯性系”。狭义相对论将“真空中，光速为常数”作为基本假设，结合狭义相对性原理和上述时空的性质可以推出洛伦兹变换。洛伦兹坐标变换狭义相对论中，洛伦兹变换描述时空中两个惯性参考系的时间、空间坐标之间的变换关系的。它最早由洛伦兹从以太说推出，用以解决经典力学与经典电磁学间的矛盾（即迈克耳孙-莫雷实验的零结果）。后被爱因斯坦用于狭义相对论。 时间膨胀（爱因斯坦延缓）当物体运动时，它内部所有一切的物理化学变化反应都会变慢的这种假说，就是时间膨胀 (简称时慢)。时慢假说认为等速运动的物体带在身上的时钟，用静系观察者的时钟去测量，不论运动方向，测量结果动钟都随着运动速度增加而变慢.动系的时间膨涨率 = 洛伦兹因子,爱因斯坦利用毕氏定理以及假设光速对任何相对等速运动的观察者都一样就推论出:动钟计时值 t' = 静钟计时值t / 洛伦兹因子假如有一个绝对静止系，显然，我们就可以测得各种物体的绝对时慢。所以处于相对静止系的我们，所得之一切时慢之观测值，都是相对时慢的观测值。例如由洛伦兹变换的假说去推论，在动系的观察者就测量出静系的时间膨涨: t'= 洛伦兹因子 t, 同时也测量出静系的长度缩收: x'=x/洛伦兹因子.注意: 这里假设的时间膨涨率，绝非只因为多普勒效应让时频变低的视值。假设的时间膨涨率只跟受测物的相对速度有关，与近接或远离的方向无关。远离的多普勒效应时频视值[Fr=(C/(C+V'))F]是变慢的，但近接的多普勒效应时频视值[Fa=(C/(C-V'))F]是变快的。按照 爱因斯坦延缓假说，对静系观察者来说不论近接或远离，动系通过一段固定距离的时间都加长了. 也就是说通过那段固定距离的动系速度V'被静系观察者计算成比较慢的V, 慢率是洛伦兹因子, V=V'/洛伦兹因子. 所以静系观察者所测出的多普勒效应被爱因斯坦延缓假说修改成为: Fr=(C/(C+(V'/洛伦兹因子)))F 和 Fa=(C/(C-(V'/洛伦兹因子)))F.长度收缩（洛伦兹收缩）洛伦兹收缩就是指当物体在运动时，在运动的那个轴向，会产生收缩。其收缩率，就是洛伦兹因子。其它轴向的长度，并不会有影响.迈克耳孙-莫雷实验那种实验，就是洛伦兹收缩的最佳证明.当然，被洛伦兹收缩的人事物本身，并不会察觉到被收缩了；从静系看来，动系上的观测者，就像拿着一根被收缩的尺，去测量被收缩的物体.但是，因为绝对静止系不可得，所以我们仅能测得相对短缩。因为我们不知道自己设定的静止参考系，是否真的比我们要测的运动物体还要静止。假如运动物体上面有个观测者，他又设定他的惯性系才是静止的，那我们就变成他的动系了。当他观测我们时，我们才是被收缩一方的，而他是正常的一方。另外，洛伦兹收缩率，从移动电荷所产生的电场推迟的效应，也就可以推出来。高速运动电荷产生的电场形变之等势面，因为电场传播不是无限快，所以必定会产生推迟，所以它向四周散发出的电场之等势面，就不再是正球面对称了。同时的相对性因为绝对静止系不可得，所以各惯性系的观测者，对于两事件发生，仅能作出是否相对同时的判断，而没有办法作出是否绝对同时的判断，除非两事件发生在同一时空点上。当惯性系中的观测者，在对该系中的有距离之两钟，进行校时，他把同步讯号源放在两钟的正中央，同步脉波呈球面对称，半径光速扩展，当钟被同步波缘触及时，即归零 (或重置在相同的计时初值)，此时两钟的计时步调，即相对同步计时，有时也简称相对同时。相对论质量m=m0/根号(1-v^2/c^2)m0指绝对质量（及牛顿力学中的质量），m为相对论质量 由公式可以看出，一个物质的速度v不可能到达或者超过光速，否则分母为一个虚数，不符合物理(光子没有质量，因此其速度可以达到光速）。而当v远远小于c时，m可以近似的等于m0，近似的符合牛顿力学。相对论力学在狭义相对论中牛顿第二定律F = ma并不成立，而下式却仍然成立F=dP/dt相对论下的电效应——磁场与电场的统一实验验证 横向多普勒效应实验高速运动粒子寿命的测定携带原子钟的环球飞行实验

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