爱因斯坦狭义相对论的基本原理之一，原来推导的过程如此有趣

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樓主

發表於 2020-5-19 17:39:17

著名物理学家爱因斯坦在1905年创建了狭义相对论，说起狭义相对论，肯定大家脑海中的第一印象就是深奥、难懂，要是提起狭义相对论的推导过程，那肯定又是一群密密麻麻的数学公式，的确，任何的物理理论都需要使用数学的方式去表达，但作为狭义相对论的创建者爱因斯坦来说，支撑整个狭义相对论体系的两大基础却并非是通过公式推导的，而是爱因斯坦通过自己的爱好得出的，爱因斯坦最早面试专利员的时候简历上写了两个爱好：爱因斯坦的老婆爱拉小提琴，而爱因斯坦喜欢思想实验，所以爱因斯坦的爱好是拉小提琴和思想实验，今天笔者就通过思想实验的角度，与大家通俗的讲解一下狭义相对论的两大基础之一：狭义相对论性原理。

狭义相对论的先导伽利略相对论性原理

狭义相对论性原理在相对论中算是一个比较好理解的原理，而且这个原理也并非爱因斯坦首次提出的，早在几百年前，伟大的意大利数学家伽利略就提出了与其类似的伽利略相对论性原理，别看狭义相对论性原理与伽利略相对论性原理都有一个相对，但性质却是完全不同的，伽利略认为：在任何惯性系中，力学规律保持不变，物体在参考系中不受力会保持静止或者匀速直线运动的状态，这个参考系就是惯性系，当我们在惯性系中做实验的时候，举个例子：我们正在乘坐一辆保持匀速直线运动的火车上，如果我们不看窗外，我们是无法判断这辆火车是静止还是运动，既然从人的主观上无法判断火车的状态，那我们可以选择一个小实验：例如小球自由落体实验，如果这辆车处于加速运动，那么我们就可以通过小球下落方向的改变，轻而易举的判断火车的状态，但因为这辆火车处于匀速直线运动，即不受力，所以我们也无法从小球的落体运动中判断火车是静止还是运动，因为在任何惯性系中，力学规律保持不变，这就是著名的伽利略相对论性原理，后来伽利略还提出了伽利略变换，这是一种针对于惯性系的坐标变化方法。

经典力学与电磁学的矛盾

而爱因斯坦却对这件事情产生了不同的看法，因为在伽利略的时代，物理学的研究范围仅仅局限于力学，而在爱因斯坦的时代，热力学、电磁学等其他物理学分支都已经诞生了，而且光学、电磁学与传统的伽利略相对论性原理产生了激烈的矛盾，伽利略相对论性原理无法解释高速运动的物质，基于这些问题，爱因斯坦提出了这样的思考：难道在惯性系中，仅仅是力学规律不变吗？

伽利略相对论性原理之所以对电磁学产生了矛盾，是因为伽利略相对论性原理是基于绝对时空建立的，即时间、空间与参考系的运动与选择无关，时间与空间永远是绝对的、固定的，这种伽利略相对论性原理只能解释物体在低速运动的坐标变换，但对于高速运动及电磁过程则都不成立。

狭义相对论原理的基础：洛伦兹变换

1904年，荷兰物理学家洛伦兹发现了伽利略变换与电磁方程不能相融的问题，这意味着两者不能同时正确，但两者看上去又都是天经地义的，于是洛伦兹忍痛割爱，抛弃了伽利略变换，凭借着自己天才般的数学天赋，强行的建立了一个变换式，即洛伦兹变换，洛伦兹变换中提到了时间、空间与速度的关系，但是作为经典力学绝对时空的捍卫者，洛伦兹选择将时间、空间、速度间的关系看成一种数学的辅助手段，声称其并不具有物理意义。

狭义相对论性原理诞生

爱因斯坦认为上帝一直是一个喜欢简单的老头子，上帝喜欢将复杂的问题简单化，讨厌将简单的问题复杂化，于是爱因斯坦提出了这样一个假设：在任何惯性系中，所有的物理规律保持不变，所以爱因斯坦利用洛伦兹变换将时间与空间这两个因素也加入了坐标变换之中，构建了四维时空，并且成功的解决了经典力学与电磁学不能相融的问题，现在将情景转回到那辆均速直线的火车中，我们使用小球自由落体实验不能判断火车的状态，那么我们进行电磁实验、进行热力学实验就能判断火车的状态了吗？显然也是不能的，因为上帝的平等的，在惯性系中谁也逃不出这个规则，所以说在任何惯性系中，所有的物理规律保持不变才是正确的，这个原理也成为了狭义相对论的两大基础之一，狭义相对论性原理在数学上表达就是洛伦兹变换群，后来爱因斯坦根据这个原理推导出了时间膨胀、尺缩效应等等理论。