愛因斯坦的狹義相對論是什麼？

早在16歲時，愛因斯坦就從書本上了解到光是以很快速度前進的電磁波，他產生了一個想法，如果一個人以光的速度運動，他將看到一幅什麼樣的世界景象呢？他將看不到前進的光，只能看到在空間里振蕩著卻停滯不前的電磁場。這種事可能發生嗎？

與此相聯繫，他非常想探討與光波有關的所謂以太的問題。以太這個名詞源於希臘，用以代表組成天上物體的基本元素。17世紀的笛卡爾和其後的惠更斯首創並發展了以太學說，認為以太就是光波傳播的媒介，它充滿了包括真空在內的全部空間，並能滲透到物質中。與以太說不同，牛頓提出了光的微粒說。牛頓認為，發光體發射出的是以直線運動的微粒粒子流，粒子流衝擊視網膜就引起視覺。18世紀牛頓的微粒說佔了上風，19世紀，卻是波動說佔了絕對優勢。以太的學說也大大發展：波的傳播需要媒質，光在真空中傳播的媒質就是以太，也叫光以太。與此同時，電磁學得到了蓬勃發展，經過麥克斯韋、赫茲等人的努力，形成了成熟的電磁現象的動力學理論——電動力學，並從理論與實踐上證明光就是一定頻率範圍內的電磁波，從而統一了光的波動理論與電磁理論。以太不僅是光波的載體，也成了電磁場的載體。直到19世紀末，人們企圖尋找以太，然而從未在實驗中發現以太，相反，邁克耳遜莫雷實驗卻發現以太不太可能存在。

電磁學的發展最初也是納入牛頓力學的框架，但在解釋運動物體的電磁過程時卻發現，與牛頓力學所遵從的相對性原理不一致。按照麥克斯韋理論，真空中電磁波的速度，也就是光的速度是一個恆量；然而按照牛頓力學的速度加法原理，不同慣性系的光速不同。例如，兩輛汽車，一輛向你駛近，一輛駛離。你看到前一輛車的燈光向你靠近，後一輛車的燈光遠離。根據伽利略理論，向你駛來的車將發出速度大於C（真空光速3x10^8m/s=3×10∧5km/s）的光，即前車的光的速度=光速+車速；而駛離車的光速小於C，即後車光的速度=光速-車速。但按照，這兩種光的速度相同，因為在麥克斯韋的理論中，車的速度有無並不影響光的傳播，說白了不管車子怎樣，光速等於C。麥克斯韋與伽利略關於速度的說法明顯相悖。我們如何解決這一分歧呢？

愛因斯坦似乎就是那個將構建嶄新的物理學大廈的人。愛因斯坦認真研究了麥克斯韋電磁理論，特別是經過赫茲和洛倫茲發展和闡述的電動力學。愛因斯坦堅信電磁理論是完全正確的，但是有一個問題使他不安，這就是絕對參照系以太的存在。他閱讀了許多著作發現，所有人試圖證明以太存在的試驗都是失敗的。經過研究愛因斯坦發現，除了作為絕對參照系和電磁場的荷載物外，以太在洛倫茲理論中已經沒有實際意義。於是他想到：以太絕對參照系是必要的嗎？電磁場一定要有荷載物嗎？這時他一開始懷疑以太存在的必要。

愛因斯坦喜歡閱讀哲學著作，並從哲學中吸收思想營養，他相信世界的統一性和邏輯的一致性。相對性原理已經在力學中被廣泛證明，卻在電動力學中卻無法成立，對於物理學這兩個理論體系在邏輯上的不一致，愛因斯坦提出了懷疑。他認為，相對論原理應該普遍成立，因此電磁理論對於各個慣性系應該具有同樣的形式，但在這裡出現了光速的問題。光速是不變的量還是可變的量，成為相對性原理是否普遍成立的首要問題。當時的物理學家一般都相信以太，也就是相信存在著絕對參照系，這是受到牛頓的絕對空間概念的影響。19世紀末，馬赫在所著的《發展中的力學》中，批判了牛頓的絕對時空觀，這給愛因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天，愛因斯坦與一個朋友貝索討論這個已探索了十年的問題，貝索按照馬赫主義的觀點闡述了自己的看法，兩人討論了很久。突然，愛因斯坦領悟到了什麼，回到家經過反覆思考，終於想明白了問題。第二天，他又來到貝索家，說：謝謝你，我的問題解決了。原來愛因斯坦想清楚了一件事：時間沒有絕對的定義，時間與光信號的速度有一種不可分割的聯繫。他找到了開鎖的鑰匙，經過五個星期的努力工作，愛因斯坦把狹義相對論呈現在人們面前。

1905年6月30日，德國《物理學年鑒》接受了愛因斯坦的論文《論動體的電動力學》，在同年9月的該刊上發表。這篇論文是關於狹義相對論的第一篇文章，它包含了狹義相對論的基本思想和基本內容。狹義相對論所根據的是兩條原理：相對性原理和光速不變原理。愛因斯坦解決問題的出發點，是他堅信相對性原理。伽利略最早闡明過相對性原理的思想，但他沒有對時間和空間給出過明確的定義。牛頓建立力學體系時也講了相對性思想，但又定義了絕對空間、絕對時間和絕對運動，在這個問題上他是矛盾的。而愛因斯坦大大發展了相對性原理，在他看來，根本不存在絕對靜止的空間，同樣不存在絕對同一的時間，所有時間和空間都是和運動的物體聯繫在一起的。對於任何一個參照系和坐標系，都只有屬於這個參照系和坐標系的空間和時間。對於一切慣性系，運用該參照系的空間和時間所表達的物理規律，它們的形式都是相同的，這就是相對性原理，嚴格地說是狹義的相對性原理。在這篇文章中，愛因斯坦沒有討論將光速不變作為基本原理的根據，他提出光速不變是一個大膽的假設，是從電磁理論和相對性原理的要求而提出來的。這篇文章是愛因斯坦多年來思考以太與電動力學問題的結果，他從同時的相對性這一點作為突破口，建立了全新的時間和空間理論，並在新的時空理論基礎上給動體的電動力學以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。

什麼是同時性的相對性？不同地方的兩個事件我們何以知道它是同時發生的呢？一般來說，我們會通過信號來確認。為了得知異地事件的同時性我們就得知道信號的傳遞速度，但如何測出這一速度呢？我們必須測出兩地的空間距離以及信號傳遞所需的時間，空間距離的測量很簡單，麻煩在於測量時間，我們必須假定兩地各有一隻已經對好了的鐘，從兩個鐘的讀數可以知道信號傳播的時間。但我們如何知道異地的鐘對好了呢？答案是還需要一種信號。這個信號能否將鍾對好？如果按照先前的思路，它又需要一種新信號，這樣無窮後退，異地的同時性實際上無法確認。不過有一點是明確的，同時性必與一種信號相聯繫，否則我們說這兩件事同時發生是無意義的。

光信號可能是用來對時鐘最合適的信號，但光速非無限大，這樣就產生一個新奇的結論，對於靜止的觀察者同時的兩件事，對於運動的觀察者就不是同時的。我們設想一個高速運行的列車，它的速度接近光速。列車通過站台時，甲站在站台上，有兩道閃電在甲眼前閃過，一道在火車前端，一道在後端，並在火車兩端及平台的相應部位留下痕迹，通過測量，甲與列車兩端的間距相等，得出的結論是，甲是同時看到兩道閃電的。因此對甲來說，收到的兩個光信號在同一時間間隔內傳播同樣的距離，並同時到達他所在位置，這兩起事件必然在同一時間發生，它們是同時的。但對於在列車內部正中央的乙，情況則不同，因為乙與高速運行的列車一同運動，因此他會先截取向著他傳播的前端信號，然後收到從後端傳來的光信號。對乙來說，這兩起事件是不同時的。也就是說，同時性不是絕對的，而取決於觀察者的運動狀態。這一結論否定了牛頓力學中引以為基礎的絕對時間和絕對空間框架。

相對論認為，光速在所有慣性參考系中不變，它是物體運動的最大速度。由於相對論效應，運動物體的長度會變短，運動物體的時間膨脹。但由於日常生活中所遇到的問題，運動速度都是很低的（與光速相比），看不出相對論效應。

愛因斯坦在時空觀的徹底變革的基礎上建立了相對論力學，指出質量隨著速度的增加而增加，當速度接近光速時，質量趨於無窮大。他並且給出了著名的質能關係式：E=mc^2，質能關係式對後來發展的原子能事業起到了指導作用。