狭义相对论的两个重要原理是什么？28

本系列文章预计会有30个章节，这套文献将系统讲述物理学本身，这里是第四季第28篇

今天我们再谈谈狭义相对论，上一季我们已经聊过一次，但是相对比较浅。今天我们再深入谈谈狭义相对论的核心思想。

狭义相对论相对来说比较特别，理论本身并不是很艰深。相比之下，广义相对论更加难以理解。本次我们只谈狭义相对论，所以下文所称的相对论都为狭义相对论。

好，开始~

首先，大家一定要先记住这张图，后面有大量需要参考本图的说明。

图中所示，假设（虚构人物）一号人物乔伊站在地面上，（虚构人物）二号人物萨拉从其头顶上方坐某船飞过。

因为当有高速运动牵涉其中时，相对性的影响才是最显著的，所以，让我们做一个思想实验，假设这种情境中的运动速度很快，比方说180000千米/秒（这个速度已经远远超出人类以现有科技所能达到的最大速度）。

要说明空间和时间会有什么变化，一个非常有帮助的做法就是为萨拉和乔伊分别设置几个相隔一定距离的时钟。具体来说，假设我们为萨拉设置了两个时钟，分别称为SC1和SC2（分别代表“萨拉时钟1”和“萨拉时钟2”）。

假设萨拉测量了这两个时钟之间的距离，结果为50千米，我们把这个结果写成“50（s）千米”，其中s表示这是萨拉测量出的结果。我们同时假设乔伊也有两个时钟，分别为JC1和JC2（分别代表“乔伊时钟1”和“乔伊时钟2”），乔伊测量得出两块时钟之间的距离是1000千米。上图展示的就是我们所假设的情境。

01 光速不变原理

光速不变原理：在真空中，光速的测量值总是相同的。

如果乔伊和萨拉在一个真空环境中分别测量光速，他们会得到相同的结果。真空中的光速接近 3.0×10的八次方米/秒，或 300000千米/秒。

值得注意的是，如果光速不变原理是正确的，那么光的运动模式跟一般物体就非常不同。

举个例子，假设萨拉和乔伊要测量一个棒球的运动速度，而不是光速。

假设萨拉把棒球向前扔出，也就是在图中，萨拉把棒球朝右侧水平扔出。假设从萨拉的角度看，球出手时的速度是100千米/秒。在这个例子里，当萨拉测量棒球的速度时，所得结果将会是棒球以100千米/秒的速度运动。

然而，从乔伊的角度来看，棒球的速度是它被水平抛出时的速度（100千米/秒）加上萨拉运动的速度（180000千米/秒）。所以，当乔伊测量棒球的速度时，所得结果将是棒球以180100千米/秒的速度运动。

然而，如果光速不变原理是正确的，那么光的运动就与棒球不同。

举个例子，如果萨拉在乔伊上方打开一盏闪光灯，那么当萨拉和乔伊测量光束前端的运动速度时，他们将会得到完全相同的结果，也就是300000千米/秒。

总之，如果光速不变原理是正确的，那么光的运动模式就与棒球大为不同。

重申一下，光速不变原理是狭义相对论的基本原理之一。

02 相对性原理

如果两个观察者在两个完全相同的实验室里，只是两个实验室相对于彼此在做匀速直线运动（也就是既不加速也不减速），如果此时两个实验室里正在进行完全相同的实验，那么这两个实验的结果将完全相同。

举个例子，在图的情境中，乔伊完全可以认为自己是静止的，而萨拉在运动。然而，如果相对性原理是正确的（我们有足够的理由相信它确实是正确的），那么萨拉同样可以认为自己是静止的，而乔伊在运动。

重点是，如果相对性原理是正确的，那么在两个相对于彼此做匀速直线运动的实验室中进行实验，得到的结果也就不会存在差异。因此，在上面萨拉和乔伊的例子里，要说他们其中一个“真的”在静止，而另一个“真的”在运动，就没有经验依据了。

这个事实的重要性：如果相对性原理是正确的，无论如何都没有经验性基础去说萨拉或乔伊其中一位“真的”在静止，而另一位“真的”在运动。

在发表于1905年的论文《论动体的电动力学》中，爱因斯坦首次提出了现在所说的“狭义相对论”。

论文中，他提出了相对性原理和光速不变原理，并把它们假定为前提条件，也就是说，爱因斯坦实际上假设这些原理是确定存在的条件，并证明在这两个原理基础之上有一个完整的理论（狭义相对论）。

随后，爱因斯坦证明了，这个新的理论可以用于解释当麦克斯韦电磁理论（后面谈）应用到运动物体时出现的一些问题。

然而，尽管相对性原理和光速不变原理在最初的论文中被假定为前提条件，但这两个原理似乎是相当合理的。

比如，在迈克尔逊-莫雷实验和其他大量类似实验中，不管是什么样的实验条件，最终测量得的光速都是相同的，这些都表明光速不变原理是存在的。事实上，在介绍光速不变原理时，爱因斯坦提到了上面这些实验。

相对性原理也是一个看起来很合理的原理。再思考一下图中乔伊和萨拉的例子。根据示意图，乔伊在地面上（假设乔伊就站在地球表面），而萨拉是在某个船上。我们凭直觉很可能会说乔伊是静止的，而萨拉在运动。

然而，我们更青睐以地面为基础的视角，毫无疑问，这是因为我们大部分时间都在地面上度过。因此，既然我们自然而然地选取以地面为基础的视角是可以理解的，那么关于这个视角当然也就没有什么特别的。

如果我们大部分时间是在火星表面上度过，我们自然会把火星表面当作我们通常的视角；如果我们在月球上出生长大，我们自然就会把月球表面当作我们通常的视角；如果我们大部分时间都在萨拉所在的那种船上度过，我们自然就会从船的角度出发。

这其中的基本准则是，这些视角中没有一个是特别的，换句话说，没有哪个视角是优先的。因此，说乔伊是真的静止的，而萨拉是真的在运动，或者说萨拉是真的静止的，而乔伊是真的在运动，都是没有根据的。

我们所能说的只是，从乔伊的视角来看，萨拉在运动，而从萨拉的视角看，乔伊在运动。总之，尽管在爱因斯坦最初的论文中，相对性原理和光速不变原理都被当作假设的前提条件，但它们其实都相当合理。

以上就是对相对论2个基本原理的解释。

下一节我们来谈论下光速不变原理和相对性原理会共同造成结果——时间碰撞+长度收缩+同时性的相对性。

好，今天就先这样。

Masir 2022/3/19

祝好运~

参考文献 

理查德.德威特 《世界观》

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