狹義相對論,四維時空的奧秘!
1、狹義相對論介紹
狹義相對論是愛因斯坦在1905年發表的題為《論動體的電動力學》一文中提出的區別於牛頓時空觀的新的平直時空理論。「狹義」（或「特殊」）表示它只適用於慣性參考系。只有在觀察高速運動現象時才能覺察出這個理論同經典物理學對同一物理現象的預言之間的差別。
2、狹義相對論的產生背景
狹義相對論是在光學和電動力學實驗同經典物理學理論相矛盾的激勵下產生的。1905年以前已經發現一些電磁現象與經典物理概念相抵觸，它們是：
①邁克耳孫－莫雷實驗沒有觀測到地球相對於以太的運動，同經典物理學理論的「絕對時空」和「以太」概念產生矛盾。②運動物體的電磁感應現象表現出相對性——是磁體運動還是導體運動其效果一樣。③電子的電荷與慣性質量之比（荷質比）隨電子運動速度的增加而增大。
此外，電磁規律（麥克斯韋方程組）在伽利略變換下不是不變的，即是說電磁定律不滿足牛頓力學中的伽利略相對性原理。修改和發展牛頓理論使之能夠圓滿解釋上述新現象成為19世紀末、20世紀初的當務之急。
3、狹義相對論的歷史
以洛倫茲為代表的許多物理學家在牛頓力學的框架內通過引入各種假設來對牛頓理論進行修補，最後引導出了許多新的與實驗結果相符合的方程式，如時間變慢和長度收縮假說、質速關係式和質能關係式，甚至得到了洛倫茲變換。所有這些公式中全都包含了真空光速。如果只為解釋已有的新現象，上述這些公式已經足夠，但這些公式分別來自不同的假說或不同的模型而不是共同出自同一個物理理論。
而且，使用牛頓絕對時空觀來對洛倫茲變換以及所含的真空光速進行解釋時卻遇到了概念上的困難。這種不協調的狀況預示著舊的物理觀念即將向新的物理觀念的轉變。愛因斯坦洞察到解決這種不協調狀況的關鍵是同時性的定義，同時性概念沒有絕對的意義。而牛頓時空理論（或伽利略變換）中的時間沒有辦法在現實世界中實現。為使用光信號對鍾，愛因斯坦假定了單向光速是個常數且與光源的運動無關（光速不變原理）。此外，他又把伽利略相對性原理直接推廣為狹義相對性原理，由此得到了洛倫茲變換，繼而建立了狹義相對論。
狹義相對論的通俗理解
狹義相對論是建立在四維時空觀上的一個理論，因此要弄清相對論的內容，要先對相對論的時空觀有個大體了解。在數學上有各種多維空間，但目前為止我們認識的物理世界只是四維，即三維空間加一維時間。現代微觀物理學提到的高維空間是另一層意思，只有數學意義，在此不做討論。
四維時空是構成真實世界的最低維度，我們的世界恰好是四維，至於高維真實空間，至少現在我們還無法感知。一把尺子在三維空間里（不含時間）轉動，其長度不變，但旋轉它時，它的各坐標值均發生了變化，且坐標之間是有聯繫的。四維時空的意義就是時間是第四維坐標，它與空間坐標是有聯繫的，也就是說時空是統一的，不可分割的整體，它們是一種」此消彼長」的關係。
四維時空不僅限於此，由質能關係知，質量和能量實際是一回事，質量（或能量）並不是獨立的，而是與運動狀態相關的，比如速度越大，質量越大。在四維時空里，質量（或能量）實際是四維動量的第四維分量，動量是描述物質運動的量，因此質量與運動狀態有關就是理所當然的了。在四維時空里，動量和能量實現了統一，稱為能量動量四矢。另外在四維時空里還定義了四維速度四維加速度，四維力，電磁場方程組的四維形式等。值得一提的是，電磁場方程組的四維形式更加完美，完全統一了電和磁，電場和磁場用一個統一的電磁場張量來描述。四維時空的物理定律比三維定律要完美的多，這說明我們的世界的確是四維的。可以說至少它比牛頓力學要完美的多。至少由它的完美性，我們不能對它妄加懷疑。
相對論中，時間與空間構成了一個不可分割的整體——四維時空，能量與動量也構成了一個不可分割的整體——四維動量。這說明自然界一些看似毫不相干的量之間可能存在深刻的聯繫。在今後論及廣義相對論時我們還會看到，時空與能量動量四矢之間也存在著深刻的聯繫。
物質在相互作用中作永恆的運動，沒有不運動的物質，也沒有無物質的運動由於物質是在相互聯繫，相互作用中運動的，因此，必須在物質的相互關係中描述運動，而不可能孤立的描述運動。也就是說，運動必須有一個參考物，這個參考物就是參考系。
伽利略曾經指出，運動的船與靜止的船上的運動不可區分，也就是說，當你在封閉的船艙里，與外界完全隔絕，那麼即使你擁有最發達的頭腦，最先進的儀器，也無從感知你的船是勻速運動，還是靜止。更無從感知速度的大小，因為沒有參考。比如，我們不知道我們整個宇宙的整體運動狀態，因為宇宙是封閉的。愛因斯坦將其引用，作為狹義相對論的第一個基本原理：狹義相對性原理。其內容是：慣性系之間完全等價，不可區分。
著名的麥克爾遜--莫雷實驗徹底否定了光的以太學說，得出了光與參考系無關的結論。也就是說，無論你站在地上，還是站在飛奔的火車上，測得的光速都是一樣的。這就是狹義相對論的第二個基本原理，光速不變原理。
由這兩條基本原理可以直接推導出相對論的坐標變換式，速度變換式等所有的狹義相對論內容。比如速度變幻，與傳統的法則相矛盾，但實踐證明是正確的，比如一輛火車速度是10m/s，一個人在車上相對車的速度也是10m/s，地面上的人看到車上的人的速度不是20m/s，而是(20-10^(-15))m/s左右。在通常情況下，這種相對論效應完全可以忽略，但在接近光速時，這種效應明顯增大，比如，火車速度是0。99倍光速，人的速度也是0。99倍光速，那麼地面觀測者的結論不是1。98倍光速，而是0。999949倍光速。車上的人看到後面的射來的光也沒有變慢，對他來說也是光速。因此，從這個意義上說，光速是不可超越的，因為無論在那個參考系，光速都是不變的。速度變換已經被粒子物理學的無數實驗證明，是無可挑剔的。正因為光的這一獨特性質，因此被選為四維時空的唯一標尺。
狹義相對論的基本假設
這個理論的出發點是兩條基本假設：狹義相對性原理和光速不變原理。理論的核心方程式是洛倫茲變換（見慣性系坐標變換）。狹義相對論預言了牛頓經典物理學所沒有的一些新效應（相對論效應），如時間膨脹、長度收縮、橫向多普勒效應、質速關係、質能關係等，它們已經獲得大量實驗的直接證明。
1、狹義相對性原理
一切物理定律（除引力外的力學定律、電磁學定律以及其他相互作用的動力學定律）在所有慣性系中均有效；或者說，一切物理定律（除引力外）的方程式在洛倫茲變換下保持形式不變。不同時間進行的實驗給出了同樣的物理定律這正是相對性原理的實驗基礎。
2、光速不變原理
光在真空中總是以確定的速度c傳播，速度的大小同光源的運動狀態無關。在真空中的各個方向上，光信號傳播速度（即單向光速）的大小均相同（即光速各向同性）；光速同光源的運動狀態和觀察者所處的慣性系無關。這個原理同經典力學不相容。有了這個原理，才能夠準確地定義不同地點的同時性。
狹義相對論的解釋說明
1、慣性系和洛倫茲變換
使牛頓力學第一定律（慣性定律）成立的那類參考系稱為慣性系。狹義相對論的公式和結論只在慣性系中有效。兩個慣性系K和K"之間的坐標變換是洛倫茲變換：
式中c為光在真空中傳播的速度，v為K"系相對於K系的速度。洛倫茲變換是線性變換，把其中的時空坐標換成任意坐標間隔其形式不變。所以，洛倫茲變換中的時空坐標也可當成是任意坐標間隔。這裡K系和K"系被選成坐標軸互相平行且在初始時刻兩系統的坐標原點重合，因而這裡給出的變換是無空間轉動的特殊洛倫茲變換。更一般的變換是把K"系統的坐標軸相對於K系做一任意的空間轉動，相應的變換稱為一般洛倫茲變換。另外，如果在初始時刻不使兩系統的原點重合，則相應的變換就是在洛倫茲變換中每個公式的右邊各加上一個常數（稱為時空平移）使之成為非齊次的線性變換，它們稱為彭加勒變換。
洛倫茲變換是狹義相對論中最基本的關係式，反映了時間和空間是不可分割的，要確定一個事件，必須同時使用三個空間坐標和一個時間坐標，這四個坐標所組成的空間稱為四維空間（四維時空）。在低速近似下，被觀察的物質的速度也遠比光速小，洛倫茲變換退化為伽利略變換。由相對性原理和洛倫茲變換建立起來的相對論性力學雖然不同於牛頓力學，但是，牛頓力學仍然是相對論性力學的很好的低速近似。
2、同時性的相對性
如果在某個慣性系中看來，不同空間點發生的兩個物理事件是同時的，那麼在相對於這一慣性系運動的其他慣性系中看來就不再是同時的。所以，在狹義相對論中，同時性的概念不再有絕對意義，它同慣性系有關，只有相對意義。但是，對於同一空間點上發生的兩個事件，同時性仍有絕對意義。
3、坐標時和固有時
由同一隻標準時鐘記錄的時間（間隔）稱為固有時（間隔）；放在不同地點的兩隻標準時鐘記錄的時間之間的差值稱為坐標時（間隔）。物理時間（指實際直接測量的時間）對應於固有時；而坐標時與同時性定義相關，不是直接的可觀測量。
4、速度相加定理
如果洛倫茲變換中的時間坐標和空間坐標描述的是某一物體的運動，則用時間變換式去除3個空間坐標變換式就得到愛因斯坦速度相加公式：
ux"=(ux－v)/(1－vux/c2)uy"=uy(1－v2/c2)1/2/(1－vux/c2)uz"=uz(1－v2/c2)1/2/(1－vux/c2)
式中(ux",uy",uz")為物體在K"系中的速度分別沿(x",y",z")軸的分量，(ux,uy,uz)則為K系中的相應速度分量。愛因斯坦速度相加定理解釋了A.斐索曾於1851年完成的流動水中的光速實驗；1905年之後許多運動流體和運動固體中的光速實驗也都在更高的精度上與愛因斯坦速度相加公式的預言相符。
5、多普勒效應
時鐘變慢直接導致相對論性的多普勒效應（多普勒頻移）。當光源同觀察者之間有相對運動時，觀察者測到的光波頻率將同光源靜止時的光頻有差別，這種差別稱為多普勒頻移。經典理論也預言了多普勒頻移，但狹義相對論的預言同經典理論的預言不同。兩種預言之間的差別是由運動時鐘的速率不同於靜止時鐘的速率造成的，也就是時鐘變慢效應造成的。
光線的頻率和傳播的方向在洛倫茲變換下分別按如下公式變換：ν"=(1－v·cosθ/c)(1－v2/c2)1/2cosθ"=(cosθ－v/c)(1－v·cosθ/c)
式中ν和ν"分別為在K系和K"系中測得的光波頻率，θ和θ"為光線的傳播方向分別與x軸和x"軸的正方向之間的夾角。當θ=90°（即垂直於光線方向）時，ν"=v/(1－v2/c2)1/2
這就是橫向多普勒效應（牛頓經典物理學沒有這種效應）。橫向（或二階）多普勒效應實際上來自時間膨脹效應，它們已被很多實驗直接證實。
6、托馬斯進動
考慮三個慣性系K、K"、K""，其中K、K"的坐標軸互相平行因而它們之間是無轉動的洛倫茲變換；類似地，K、K""的坐標軸也互相平行因而它們之間也是無轉動的洛倫茲變換。但是，K"、K""之間則是有轉動的洛倫茲變換，即K""和K的坐標軸不再互相平行而是存在一個空間轉動，這種轉動稱為維格納轉動（經典物理學中的伽利略變換沒有這類效應）。1927年L.托馬斯首先把這種運動學效應應用於電子在原子核電場中作閉合軌道運動的情況，發現電子的磁矩在運動中會產生進動，這種進動後來被稱為托馬斯進動。考慮了托馬斯進動之後，原子光譜的精細結構分裂和反常塞曼效應就可同時得到圓滿解釋。托馬斯進動效應還表現在電子和μ子在均勻磁場中做圓周運動時其自旋的進動頻率：
ωs=[(g－2)/2]eB/(m0c)+ωc
式中(g－2)因子相應於反常磁矩，e為電荷，m0為靜質量，B為磁感應強度c為光速，ωc=eB/(γm0c)是圓周運動的迴旋頻率，其中：γ=1/(1－v2/c2)1/2
多年來進行的電子和μ子的(g－2)因子的實驗測量結果與上面的理論預言在極高精度上相符合。原文地址：http://www.yi2.net/article/201606/13143.html
狹義相對論背後的故事
1、發現靈感
廣義相對論源於一個倏忽而至的靈感，故事發生在1907年底。1905年被稱為「奇蹟年」，愛因斯坦在這一年中提出了狹義相對論和光量子理論，然而兩年時間過去了，他仍然還只是瑞士專利局的一名專利審查員。當時，整個物理學界還沒能跟上他的天才智慧。
有一天,他坐在位於伯爾尼的辦公室中,突然有了一個自己都為之「震驚」的想法。他回憶道：「如果一個人自由下落，他將不會感到自己的重量。」後來，他將此稱為「我一生中最幸福的思想」。這個自由落體者的故事已然成為了一個標誌，甚至有一些版本真的認為，當時曾有一位油漆工從專利局附近的公寓樓頂墜落。與其他關於引力發現的絕妙故事（伽利在比薩斜塔投擲物體以及牛頓被蘋果砸中腦袋）一樣，這些事迹都只是經過美化、杜撰的民間傳聞罷了。愛因斯坦更願意關注宏大的科學議題，而非「瑣碎的生活」，他不太可能因看到一個活生生的人從屋頂跌落而聯想到引力理論，更不可能將此稱為一生中最幸福的思想。
不久，愛因斯坦進一步完善了這個思想實驗，他想像自由落體者處在一個密閉空間中，比如一部自由墜落的升降機。在這個密閉空間中，自由落體者會感到失重，並且他拋出的任何物體都會與他一起漂浮。他將無法通過實驗來辨別自己所處的密閉空間是正在以某一加速度做自由落體運動，還是正在外太空的無重力區域漂浮。
然後，愛因斯坦想像這個人仍在同一個密閉空間里，處於幾乎沒有重力的外太空中。此時有一個恆力將密閉空間以某一加速度向上拉升，他將會感到自己的腳被壓到地板上。如果此時，他拋出一個物體，那麼該物體也將會以加速運動落在地板上，就如同他站在地球上一樣。他沒有任何方法能夠區分，自己是受到引力的作用，還是受到向上加速度的作用。
愛因斯坦稱之為「等效原理」 （the equivalenceprinciple）。以局域效應來看，引力和加速度是等效的。因此，二者是同一種現象的不同表現形式，即可以同時對加速度和引力作出解釋的某種「宇宙場」（cosmic ?eld） 。
接下來，愛因斯坦花費了8年時間，把這個自由落體者思想實驗，改寫成為物理學史上最美、最驚艷的理論。在此期間，愛因斯坦的個人生活也發生了巨大的改變，他與妻子的感情破裂，獨自一人居住在德國柏林，他不再是瑞士專利局的一名職員，而是成為了一名教授及普魯士科學院（PrussianAcademy ofSciences）的院士，不過後來，他開始漸漸疏遠普魯士科學院的同事，因為在那裡，反猶太主義的浪潮正在不斷高漲。去年，美國加州理工學院和普林斯頓大學共同決定，將愛因斯坦的文稿檔案上傳至互聯網，讓人們可以免費了解在這段時期中，愛因斯坦個人生活及對宇宙的觀念的變化歷程。當我們閱讀檔案，看到1907年年底愛因斯坦匆匆記下「一種基於相對論原理對加速度和引力的新思考」時，似乎可以感受到他當時的激動與興奮。但當讀到，「幾天之後他以準備工作不正確、不嚴密、不清晰為由，拒絕了一家電力公司的交流電機專利申請」，愛因斯坦的暴躁與厭倦也躍然紙上。
接下來的幾年充滿了戲劇性，因為一方面，愛因斯坦要爭分奪秒地趕在競爭對手之前，找到描述廣義相對論的數學表達式；另一方面，他又要與分居的妻子在財產及探視兩個兒子的權利方面作抗爭。而到了1915年，愛因斯坦終於達到了事業的巔峰，提出了廣義相對論的完整的理論形式，永遠地改變了我們對整個宇宙的理解。
2、與第一任妻子關係破裂
那時，愛因斯坦已搬到德國柏林，成為了一名教授，還當選了普魯士科學院院士。但是，他發現自己的工作幾乎沒有得到任何支持。由於反猶太主義浪潮不斷高漲，他無法與身邊的同事形成研究夥伴關係。他與妻子米列娃?瑪里奇（Mileva Mari『c）關係破裂，瑪里奇也是一位物理學家，1905年愛因斯坦創立狹義相對論時，她曾是他的「顧問」。米列娃帶著他們年僅11歲和5歲的兩個兒子回到了蘇黎世。愛因斯坦與他的表姐艾爾莎（Elsa）關係在愛因斯坦耳邊有兩個滴答作響的時鐘：其一他能感覺到希爾伯特正在逐步接近正確的方程其二他已同意在11月份以他的理論為主題，為普魯士科學院的院士們開設四次周四講座。曖昧，後來她成為了愛因斯坦的第二任妻子，不過那時，他仍然獨自生活在位於柏林中部的一間沒有什麼傢具的公寓里。在那裡，他無規律地吃飯、睡覺、彈奏小提琴，孤獨地為他的偉大理論而奮鬥。
整個1915年，愛因斯坦的個人生活開始陷入混亂。一些朋友不停催促他與米列娃離婚，然後和艾爾莎結婚；另一些人則勸誡愛因斯坦不應該再與艾爾莎見面，也不應再讓她接近他的兒子們。米列娃曾屢次寫信向他要錢，對此愛因斯坦感到難以抑制的苦痛。「我認為這種要求已經沒有討論的餘地，」他回信說， 「你總是試圖控制我所擁有的一切，這絕對是不光彩的。」愛因斯坦努力維持著與兩個兒子之間的通信往來，但他們卻很少回信，於是，他指責米列娃不把自己的信給他們看。
然而就在1915年6月底，他的個人生活處於混亂不堪之際，愛因斯坦卻思考出了許多關於廣義相對論的內容。在那個月底，他以正在思考的問題為主要內容，在德國哥廷根大學（UniversityofG?ttingen）開設了為期一周的系列講座。哥廷根大學是全世界最傑出的數學研究中心，擁有許多非凡的天才，其中最著名的就是數學家大衛?希爾伯特（DavidHilbert）。愛因斯坦特別渴望與希爾伯特溝通交流——不過，後來發生的事情表明，愛因斯坦或許有些過於性急——他向希爾伯特解釋了相對論的每一個艱澀難懂的細節。
3、與數學家希爾伯特競爭
對哥廷根的訪問取得了成功.幾周之後,愛因斯坦向一位物理學家朋友說「我已說服希爾伯特認同廣義相對論」。在給另一位物理學家的信中，他更是讚歎道：「我已被希爾伯特深深吸引！」惺惺相惜之情，溢於言表。希爾伯特也同樣為愛因斯坦及其理論著迷，以致於沒過多久，他就開始自已動手嘗試解開愛因斯坦迄今尚未完成的謎題——尋找能夠完整描寫廣義相對論的數學方程。
1915年10月初，愛因斯坦已經聽到了希爾伯特追尋答案的「腳步聲」，與此同時，他意識到當前版本的理論框架——他已花費長達兩年時間，在《廣義相對論和引力場理論綱要》（Entwurf）基礎上修改得到的結果——存在著嚴重缺陷。他的方程無法恰當地解釋旋轉運動。此外，愛因斯坦還意識到，他的方程並不是廣義協變的，這意味著這些方程既不能真正使所有加速運動或非勻速運動成為相對的，也不能完全解釋天文學家所觀測到的水星軌道反常現象。水星的近日點，即最接近太陽的點，一直在逐漸偏移，牛頓物理學或愛因斯坦當前的理論版本，都無法對其做出恰當的解釋。
在愛因斯坦耳邊有兩個滴答作響的時鐘：其一他能感覺到希爾伯特正在逐步接近正確的方程；其二他已同意在11月份以他的理論為主題，為普魯士科學院的院士們開設四次周四講座。整個11月份，愛因斯坦幾乎累得精疲力竭，在此期間，他一直在努力解決一系列的方程式，不斷進行修改和更正，準備向終點作最後的衝刺。甚至在11月4日，愛因斯坦到達普魯士國家圖書館大禮堂，即將開始第一次演講時，他仍在努力修改他的理論。他一開始演講就說：「過去4年來，我嘗試建立廣義相對論。」愛因斯坦以極為坦誠的態度，詳盡講述了他所面臨的困難，並且承認自己還未找到完全符合該理論的數學方程。此時的愛因斯坦正處於創造力集中爆發前的陣痛階段，科學史上的最重要時刻即將到來。
同時，他還要處理家庭生活中的危機。妻子不斷給他寫信，催促他寄錢並跟他討論與兩個兒子聯繫的規定。通過一位他們共同的朋友，她向愛因斯坦表示不希望孩子們去柏林見他，因為在那裡孩子們可能會發現他與他表姐的婚外情愛因斯坦向朋友保證，他在柏林獨自生活，「荒涼」的公寓已經有了「一種近乎教堂般的氣氛」 。談及愛因斯坦在廣義相對論方面的研究工作，這位朋友回答說：「這是理所應當的，因為非比尋常的神聖力量正在那裡發揮作用。 」
就在他提交第一篇論文的那天，他給住在瑞士的大兒子漢斯（Hans）寫了一份飽含苦痛又令人動容的信，信中寫道：昨天我收到了你寄來的簡訊，我因此感到十分高興。我原本擔心你不再願意給我寫信了,我會儘可能爭取，讓我們每年都有一個月時間待在一起，這樣你仍然能感受到有一個疼你愛你的父親。你可以從我這裡學到很多東西，這是其他任何人都無法教給你的??在過去的幾天里，我完成了有生以來最好的一篇論文。當你長大一些了，我會把這篇論文講給你聽。在這封信的最後，他為自己表現出的心煩意亂感到些許抱歉。
他寫道： 「我常常專註於我的工作，以致忘記吃午飯。 」愛因斯坦還與希爾伯特進行了一次略顯尷尬的交流。愛因斯坦聽說這位哥廷根的數學家已經發現了《綱要》中方程的缺陷，擔心他搶到先機，便寫信給希爾伯特說，自己已經發現了其中的缺陷，並寄去了一份11月4日的演講稿。在11月11日的第二次演講中，愛因斯坦使用了新的坐標系，使得他的方程成為廣義協變方程。但是結果表明，這種改變並沒有起到決定性的作用。此時的他雖然離最終答案只差最後一點點距離，卻無法再向前邁進一步。愛因斯坦又一次將演講稿寄給了希爾伯特，並詢問希爾伯特自己的進展情況。他寫道：「我的好奇心正在妨礙我的工作！」
愛因斯坦肯定對希爾伯特的回信感到煩躁不安。因為希爾伯特說，已經想到一個「解決你的偉大問題的方法」，並邀請愛因斯坦在11月16日來哥廷根，聽他當面闡述。 「既然您對此很感興趣， 所以我想在下周二完整詳細地講述我的理論，」希爾伯特寫道。
「如果您能來，我和妻子將十分高興。」然後，在簽下自己的名字後，希爾伯特又加上了一句既誘人又令人不安的附言——「根據我對您這篇最新論文的理解，您的解決方法與我的完全不同。」
狹義相對論的驗證
驗證狹義相對論的實驗大體上分為六大類：
①相對性原理的實驗檢驗；②光速不變原理的實驗檢驗；③時間膨脹實驗；④緩慢運動媒質的電磁現象實驗；⑤相對論力學實驗；⑥光子靜止質量上限的實驗。關於相對性原理的實驗檢驗，電動力學和光學的很多例子，特別是運動物體的電磁感應現象，都是很有說服力的，不再贅述，著重說明其餘五大類的驗證實驗。
1、光速不變性的實驗
首先，同光速不變原理有關的大量實驗已經證明，真空中光速同光源的運動速度和慣性運動狀態無關。定量的測量表明，真空中平均迴路光速с是一個常數，約為每秒30萬千米（с的精確測量值見基本物理常數）。這類實驗中，最著名的是邁克耳孫－莫雷實驗。這個實驗是在相對論出現之前很久的1881年首先由A.邁克耳孫完成的。1887年邁克耳孫和E.莫雷又用干涉儀以更高的精度重新做了觀測。這個實驗的目的是測量地球相對於以太的運動速度。但實驗結果同以太論的預言相矛盾。狹義相對論建立之後，這個實驗就被看成是光速不變原理和狹義相對性原理以及否定以太論的重要實驗基礎。還要說明一點，現有的實驗（包括邁克耳孫－莫雷實驗）並沒有證明光速是否同方向無關。引入光速同方向無關的假定是為了定義不同地點的事件的同時性，在沒有其他方法確定這種同時性之前，光速是否同方向無關是無法用實驗判斷的。
2、多普勒頻移觀測
多普勒頻移的觀測，最高精度已達到0.5%；對介子壽命的觀測，精度約達0.4%；用原子鐘做的實驗精度較低，約10%。這些實驗的結果都同相對論的預言符合。在原子鐘環球航行的實驗中，雖然飛機速度遠小於光速，但由於測量精度很高，仍然觀測到了時間膨脹的相對論效應。
3、相對論力學實驗
包括質速關係（慣性質量隨物體運動速度的變化）和質能關係（即E=mс2關係）。質速關係是用電子和質子做的，事實上各種高能質子加速器和電子加速器的設計建造都驗證了質速關係。質能關係主要是通過核反應來進行檢驗，精度達到了百萬分之三十五。
荷電粒子的電磁偏轉實驗、回旋加速器的運轉、高速粒子飛行時間的測量、原子光譜精細結構分裂的解釋等都為質速關係提供了證據。原子能發電、原子彈和氫彈的實現都以質能關係為理論基礎。
4、光子靜質量實驗
有關電子靜止質量的實驗都沒有觀察到光子有靜質量，因此只給出了光子靜質量的上限。對庫侖定律的檢驗給出的上限是1.6×10－47克，根據銀河系旋臂磁場範圍對光子靜質量上限做的估計約為10－59克。
除了上述六類主要的實驗外，還有其他形式的實驗。所有這些實驗都沒有觀察到同狹義相對論有什麼矛盾。此外，狹義相對論在相對論性量子力學、量子場論、粒子物理學、天文學、天體物理學、相對論性熱力學和相對論性統計力學等領域中的成功應用，也都為它的正確性提供了豐富的證據。
雖然狹義相對論在理論的邏輯結構和形式上是很完美的，在實驗上已有了非常牢固的基礎，但人們仍對它不斷深入進行研究：理論方面，探討它在新領域中的應用；實驗方面，使用新的觀測方法和提高了測量精度的方法，更精密地檢驗它的正確性。此外還有不少實驗試圖觀察超光速現象，但至今並沒有得到令人信服的結果。
狹義相對論的意義及局限性
1、狹義相對論的意義
愛因斯坦的哲學信念：整個自然界是統一的、和諧的。他吸取了休謨對先驗論、馬赫對「絕對時空」概念的批判成果。其中馬赫哲學對愛因斯坦影響最大馬赫認為時間和空間的量度與物質運動有關,時空觀念是通過經驗形成的，「絕對時空」沒有經驗根據。馬赫據此對牛頓的「絕對時間」和「絕對空間」進行批判，否定「絕對時空」概念，並認為時間測量依賴於參考系。愛因斯坦從考察兩個在空間上分隔開的事件的「同時性」入手，否定了「同時性」的絕對性及其有關的「絕對時間」概念，從而也否定了「絕對空間」概念以及實質上被當作絕對空間的「以太」的存在。愛因斯坦認為不存在絕對靜止的參考系，麥克斯韋－洛倫茲的電動力學方程是正確的，物體在慣性系中運動定律不變的假設導致光速不變的概念。
相對論中的光速不變性可以從理論上由麥克斯韋方程組得出：c=1/(ε0μ0)1/2，光速由真空介電常數ε0與磁導率μ0決定，是一個不變的常數並且不依賴於參考系的選擇。光速不變原理是宇宙時空對稱性的體現。
狹義相對論不但可以解釋經典物理學所能解釋的全部物理現象，還可以解釋一些經典物理學所不能解釋的物理現象，並且預言了不少新的效應。它導致了光速是極限速度，導致了不同地點的同時性只有相對意義，預言了長度收縮和時鐘變慢，給出了愛因斯坦速度相加公式、質量隨速度變化的公式和質能關係此外，按照狹義相對論，光子的靜止質量必須是零。
2、狹義相對論的局限性
狹義相對論的建立，對物理學起了巨大的推動作用，並且深入到量子力學的範圍，成為研究高速粒子不可缺少的理論，並取得了豐碩的成果。但是有兩個原則性的根本問題未能解決。第一個是定義慣性系引起的困難。由於否定了「絕對時空」，慣性參考系（慣性系）成了無法定義的概念。如果慣性系是指牛頓第二定律在其中成立的參考系，那麼只有在慣性系中牛頓第二定律才能成立，從而陷入「邏輯循環」，整個理論如同建築在沙灘之上。第二個是萬有引力引起的困難。萬有引力定律與「絕對時空」緊密相連，必須加以修正，但其在洛倫茲變換下不具有協變性，因此無法納入狹義相對論的框架。直至廣義相對論建立之後，問題才得以徹底解決。
結語：狹義相對論是現代物理的基本理論之一，一切微觀和宏觀的物理理論或現象都滿足狹義相對論的要求，這也被很多現代科學儀器所證實，愛因斯坦的狹義相對論為廣義相對論奠定了基礎,幫助人們更好的理解了「四維時空」等理論，長久以來對人類做出了巨大的貢獻。
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