狭义相对论
special relativity

    适用于惯性系，从时间、空间等基本概念出发将力学和
电磁学统一起来的物理理论。1905 年 由 A.爱因斯坦创建  。
这个理论在涉及高速运动现象时，同经典物理理论显示出重
要的区别。
    产生   到19世纪末，经典物理理论已经相当完善，当时
物理学界较为普遍地认为物理理论已大功告成，剩下的不过
是提高计算和测量的精度而已。然而某些涉及高速运动的物
理现象显示了与经典理论的冲突，而且整个经典物理理论显
得很不和谐：①电磁理论按照经典的伽利略变换不满足相对
性原理，表明存在绝对静止的参考系，而探测绝对静止参考
系的种种努力均告失败。②似乎存在着经典力学无法说明的
极限速度 。③ 电子的质量 依赖于它的速度 。在 这种形势下，
有见地的物理学家预感到物理学中正孕育着一场深刻的革命。
爱因斯坦立足于物理概念要以观察到的事实为依据，而不能
以先验的概念强加于客观事实，他考察了一些普遍的物理事
实和经典物理学中如运动、时间、空间等基本概念，看出以
下两点具有根本的重要性，并把它们作为建立新理论的基本
原理：①狭义相对性原理，不仅力学实验，而且电磁学实验
也无法确定自身惯性系的运动状态，也就是说，在一切惯性
系中的物理定律都具有相同的形式。②光速不变原理，真空
中的光速对不同惯性系的 观察者来说都是 c。承认这两条原
理，牛顿的绝对时间、绝对空间观念必须修改，异地同时概
念只具有相对意义。在此基础上，爱因斯坦建立了狭义相对
论。
    内容 洛伦兹变换 根据相对性原理和光速不变原理，可
导出两个惯性系之间时空坐标之间的洛伦兹变换。当两个惯
性系S和S′相应的笛卡尔坐标轴彼此平行，S′系相对于S系
的运动速度v仅在x轴方向上 ，且当 t＝t′＝0时 ，S′系和S
系坐标原点重合，则事件在S系和S′系中时空坐标的洛伦兹
变换为
     x′＝γ（ x－vt ），y′＝y，z′＝z，t′＝γ（ t－
vx／c2）式中γ＝（1－v2／c2）-1/2；c为真空中的光速。洛伦
兹变换是狭义相对论中最基本的关系，狭义相对论的许多新
的效应和结论都可从洛伦兹变换中直接得出，它表明时间和
空间具有不可分割的联系。当速度远小于光速 ，即 v«c 时，
洛伦兹变换退化为伽利略变换，经典力学是相对论力学的低
速近似。
    同时性的相对性   在某个惯性系中看来异地发生的两个
事件是同时的，那末在相对于这一惯性系运动的其他惯性系
看来就不是同时的，因此在狭义相对论中，同时性概念不再
具有绝对的意义，只具有相对的意义。不仅如此，在不同惯
性系看来，两异地事件的时间顺序还可能发生颠倒；但是具
有因果联系的两事件的时间顺序不会发生颠倒。同时性的相
对性是狭义相对论中非常基本的概念，时间和空间的许多新
特性都与此有关。
    长度收缩   狭义相对论预言，一根沿其长度方向运动速
度为v的杆子的长度l比它静止时的长度l0要短，
l＝l0 。
长度收缩不是物质的动力学过程，而是属于空间的性质。它
是由于测量一根运动杆子的长度须同时测量其两端，在不同
惯性系中，同时性具有相对性，因而不同惯性系中得出的结
果不同，只具有相对的意义。
    时间延缓   狭义相对论预言，运动时钟的时率比时钟静
止时的时率要慢 。设在 S¢系中静止的时钟测得某地先后发生
两事件的时间间隔为 Δτ ，在 S系中，这两个事件不是发生
在同一地点，须用校准好的同步钟测量，测得它们先后发生
的时间间隔为 Δt ，Δτ ＝Δt ＜ Δt。时间延缓是
同时性的相对性的结果，是时间的属性，不仅运动时钟的时
率要慢，一切与时间有关的过程如振动的周期、粒子的平均
寿命等都因运动而变慢。
    速度变换公式  按照狭义相对论，当S′系和S系相应坐
标轴彼此平行，S′系相对于S系的速度v沿x方向，则质点相
对于S系的速度 u＝｛ux，uy，uz｝和相对于S¢系的速度 u'＝
｛u'x，u'y，u'z｝之间的变换关系为
    
    
    
当u«c时，相对论速度变换公式退化为伽利略速度变换公式。
    相对论多普勒频移   设光源相对静止时发射光的频率为
v0，当光源以速度 u 运动时，接收到光波频率为 v＝0，狭义
相对论预言，  ，式中θ为光源
运动方向与观测方向之间的夹角。与经典的多普勒效应不同，
存在着横向多普勒频移，当光源运动方向与观测方向垂直时，
θ＝90°，则  。横向多普勒频移是时间延
缓的效应。
    质速关系  狭义相对论预言，与经典力学不同，物体的
质量不再是与其运动状态无关的量，它依赖于物体的运动速
度。运动物体速度为v时的质量为   ，式中
m0为物体的静质量，当物体的速度趋于光速时，物体的质量
趋于无穷大。
    关于狭义相对论中的质量，还存在另一种观点，认为只
有一种不变的质量，即物体的静质量，无法明确定义运动质
量。两种观点对于狭义相对论的基本看法上没有分歧，只是
对质量概念的引入上存在分歧。后一种观点在概念引入的逻
辑严谨性上更为可取，而前一种观点对于某些物理现象，如
回旋加速器的加速限制、康普顿效应以及光线的引力偏折等，
作浅显说明颇为有效。
    质能关系  狭义相对论最重要的预言是物体的能量 E 和
质量m有当量关系 ，E ＝mc2。与物体静质量 m0 相联系的能
量E0＝m0c2。质能关系是核能释放的理论基础。
    能量动量关系 狭义相对论中动量定义为