第1个回答 2011-01-23
简单地说呢,狭义相对论的诞生是基于解决矛盾的需要。
自牛顿创立力学始,人们的时空观就一直是一维时间与三维空间彼此独立,这可以用伽利略变换来描述。伽利略变换下,经典力学系统满足协变性(就是指在惯性系下,牛顿的力学定律总是成立,F=ma的形式不变。不管是坐在一辆匀速行驶的车上,还是相对地面保持静止,只要你选定了一个惯性参照系(不能有加速度,包括转动),力学规律都一样,你感受不到之间存在的那个相对速度),大家因此一直以为时间空间就是这样彼此独立的。
但到了19世纪末,电动力学愈加完善,电动力学的巅峰就是麦克斯韦方程的归纳,与带电粒子的洛伦兹力运动公式放在一起,就是完整的近代电动力学体系。麦克斯韦方程是百年来对实验的理论升华,包括库仑定律,高斯定律,法拉第定律,等等,统一了电与磁,还预言了电磁波,后来被赫兹验证,无线电技术的和现代电子技术起源就是这么来的,19世纪末的物理学界那叫一个激动啊,物理学家们兴高采烈,觉得如此神秘的自然规律原来就藏在这么一个优美典雅的方程组+方程中,是实验物理与理论物理的最精美的典范。
各种实验和观测现象都表明了麦克斯韦方程不可能有问题。然而,就是这么完美的方程却在前面提到的伽利略变换下不满足协变性。一个物理规律若是成立,它在不同惯性系下都应成立,协变性是物理学的原则性问题。要解决这种矛盾下,人们要么放弃麦克斯韦方程,要么抛弃原有的时空观。但前者已被无数的实验所验证,人们只能提出新的理论来纠正原有时空观来保证Maxwell方程的协变性。
通过麦克斯韦方程还可以导出光速不变原理(不论你在飞船里,还是在地球上,观测到的光速都是一样的),而且在当时被迈克尔逊-莫雷的实验所验证,并且各种试图寻找以太的证据都破产。就是在这种背景下,爱因斯坦发现用洛伦兹变换描述时空关系可以满足光速不变性(一个简单的不变量公式,dx^2-(c*dt)^2=0为不变量),洛伦兹变换下的麦克斯韦方程同时又满足了协变性,狭义相对论就此诞生。不过爱因斯坦声称当时他并不了解迈克尔逊莫雷实验的结果,他完全是基于对理论完美性的追求才提出狭义相对论的,这要求时间空间彼此互相关联(这就是所谓的时间空间相对性),在洛伦兹变换下可以推导出很多有趣的、以前无法想象的现象,很多已被现代测量手段所验证。狭义相对论的提出,宣告了对传统时间空间观念独立的颠覆。