狹義相對(duì)論（Special theory of relativity）是阿爾伯特·愛因斯坦 他提出了不同于牛頓 1905年發(fā)表在一篇題為 《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》的文章中。狹義”表示它僅適用于慣性參考系。這個(gè)理論的出發(fā)點(diǎn)是兩個(gè)基本假設(shè)：狹義相對(duì)性原理和光速不變?cè)?。該理論的核心方程是洛倫茲變換（群）請(qǐng)參見慣性系的坐標(biāo)變換）狹義相對(duì)論預(yù)言了一些新的效應(yīng)經(jīng)典物理學(xué)所沒有的（相對(duì)論效應(yīng)），如時(shí)間膨脹、長(zhǎng)度收縮、橫向多普勒效應(yīng)、質(zhì)速關(guān)系、質(zhì)能關(guān)系等。狹義相對(duì)論已經(jīng)成為現(xiàn)代物理理論的基礎(chǔ)之一：所有微觀物理理論（如基本粒子理論）和宏觀引力理論（如廣義相對(duì)論）都符合狹義相對(duì)論的要求。這些相對(duì)論動(dòng)力學(xué)理論已經(jīng)被許多高精度的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

狹義相對(duì)論不僅包括時(shí)間膨脹等一系列推論，還包括麥克斯韋－赫茲方程變換等。狹義相對(duì)論需要使用引入張量的數(shù)學(xué)工具。

狹義相對(duì)論是牛頓的延伸時(shí)空理論要理解狹義相對(duì)論，就要理解四維時(shí)空，它的數(shù)學(xué)形式是閔可夫斯基幾何空間。

。從這個(gè)意義上說，狹義相對(duì)論仍然是一個(gè)經(jīng)典理論。

(《狹義相對(duì)論》)211211)

狹義相對(duì)論 在光學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)中與經(jīng)典物理理論是一樣的“矛盾”的激勵(lì)下產(chǎn)生的。

狹義相對(duì)論

在1905年之前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些電磁現(xiàn)象與經(jīng)典物理概念同相“抵觸”，它們是：

①邁克耳孫－在莫雷實(shí)驗(yàn)中沒有觀察到地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)，這與經(jīng)典物理理論中的結(jié)果相同“絕對(duì)時(shí)空”和“以太”概念產(chǎn)生矛盾。

②運(yùn)動(dòng)物體的電磁感應(yīng)現(xiàn)象表現(xiàn)出相對(duì)性磁鐵運(yùn)動(dòng)還是導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，效果是一樣的。

3電子電荷與慣性質(zhì)量之比（荷質(zhì)比）它隨著電子速度的增加而減小。此外，電磁規(guī)律（麥克斯韋方程組）在伽利略變換下不是不變的，也就是說，電磁定律不滿足牛頓力學(xué)中的伽利略相對(duì)性原理。

擴(kuò)展牛頓 使它能滿意地解釋上述新現(xiàn)象的理論成了19世紀(jì)末的事、20世紀(jì)初的緊迫任務(wù)。以H.以洛倫茨為代表的許多物理學(xué)家修正了牛頓 s理論通過在牛頓力學(xué)的框架內(nèi)引入各種假設(shè)，最終導(dǎo)致了許多與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的新方程，如時(shí)間變慢和長(zhǎng)度收縮的假設(shè)、質(zhì)量速度關(guān)系 s公式和質(zhì)能關(guān)系，甚至得到了洛倫茲變換。所有這些公式都包含了真空中的光速。如果只是為了解釋現(xiàn)有的新現(xiàn)象，這些公式是足夠的，但它們來自不同的假設(shè)或不同的模型而不是同一個(gè)物理理論。此外，使用牛頓 的絕對(duì)時(shí)空觀來解釋洛倫茲變換和真空中的光速。這種不協(xié)調(diào)的情況表明舊的物理概念即將向新的物理概念轉(zhuǎn)變。愛因斯坦意識(shí)到，解決這種不協(xié)調(diào)狀況的關(guān)鍵是同時(shí)的定義，同時(shí)的概念沒有絕對(duì)的意義。而牛頓時(shí)空理論（或伽利略變換）現(xiàn)實(shí)世界中沒有辦法實(shí)現(xiàn)時(shí)間。為了利用光信號(hào)設(shè)置時(shí)鐘，愛因斯坦假設(shè)單向光速是恒定的，與光源的運(yùn)動(dòng)無關(guān)（光速不變?cè)恚┐送?，他直接擴(kuò)展了伽利略 s相對(duì)論原理到狹義相對(duì)論原理，從中得出洛倫茲變換，進(jìn)而建立狹義相對(duì)論。

狹義相對(duì)性原理：一切物理定律（除重力外的力學(xué)定律、電磁學(xué)定律和其他相互作用的動(dòng)力學(xué)定律）適用于所有慣性系統(tǒng)；換句話說，所有的物理定律（除引力外）的方程在洛侖茲變換下保持不變。不同時(shí)間進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)給出了相同的物理規(guī)律，這就是相對(duì)性原理的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

光速不變?cè)恚汗庠谡婵罩锌偸且砸欢ǖ乃俣萩傳播，速度與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。在真空中的各個(gè)方向，光信號(hào)的傳播速度（即單向光速）的大小均相同（即光速各向同性）光速與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和觀測(cè)者的慣性系無關(guān)。這個(gè)原理與經(jīng)典力學(xué)不相容。有了這個(gè)原理，我們就可以準(zhǔn)確定義不同地方的同時(shí)性。

如果在一個(gè)慣性系中，不同空間點(diǎn)的兩個(gè)物理事件似乎是同時(shí)發(fā)生的，那么在相對(duì)于這個(gè)慣性系運(yùn)動(dòng)的其他慣性系中，似乎就不再是同時(shí)發(fā)生的了（時(shí)間是一個(gè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在一個(gè)坐標(biāo)系中“時(shí)間維坐標(biāo)”不同位置的相同兩點(diǎn)在另一個(gè)坐標(biāo)系中“時(shí)間維坐標(biāo)”不同是很正常的）因此，在狹義相對(duì)論中，同時(shí)性的概念不再具有絕對(duì)意義（沒有絕對(duì)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，同一點(diǎn)在不同坐標(biāo)系下的四個(gè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以完全不同）與慣性系有關(guān)，只有相對(duì)意義。然而，對(duì)于在同一空間點(diǎn)的兩個(gè)事件，同時(shí)性仍然具有絕對(duì)的意義（三維空間坐標(biāo)相同的兩個(gè)不同的時(shí)空點(diǎn)，仍然是兩個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)；而狹義相對(duì)論規(guī)定這兩個(gè)不同時(shí)空點(diǎn)的時(shí)間維度距離是等價(jià)的，這是絕對(duì)有意義的）

讓牛頓 力學(xué)第一定律（慣性定律）建立的參考系稱為慣性系。狹義相對(duì)論的公式和結(jié)論只在慣性系中有效。兩個(gè)慣性系統(tǒng)k和k'兩者之間的坐標(biāo)變換是洛倫茲變換：

(《狹義相對(duì)論》)211211)

也可以寫成洛倫茲群的形式，洛倫茲變換可以根據(jù)群的定義來驗(yàn)證，這里不做具體證明，或者找一本群論的教材。

式中（c是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)，假設(shè)時(shí)鐘光子在三維空間中以1米的勻速直線運(yùn)動(dòng)，就是時(shí)間坐標(biāo)數(shù)據(jù)“1秒/c”是光在真空中傳播的速度，v是k'系統(tǒng)相對(duì)于k系統(tǒng)的速度。

洛倫茲變換是一種線性變換，時(shí)空坐標(biāo)變?yōu)槿我庾鴺?biāo)區(qū)間，其形式不變。所以洛倫茲變換中的時(shí)空坐標(biāo)也可以看作任意坐標(biāo)區(qū)間比如x，y，z 是慣性系K中的位移，T是慣性系K中的時(shí)間間隔，x‘,y’,z‘ 在慣性系k中’中的移位，t‘是在慣性系K’時(shí)間間隔在 。這里K系和K'坐標(biāo)軸選擇為相互平行且兩個(gè)系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)在初始時(shí)刻重合，所以這里給出的變換是一個(gè)沒有空間旋轉(zhuǎn)的特殊洛倫茲變換。更一般的變換是把k'系統(tǒng)的坐標(biāo)軸相對(duì)于K系統(tǒng)作任意空間旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)的變換稱為廣義洛倫茲變換。另外，如果兩個(gè)系統(tǒng)的原點(diǎn)在初始時(shí)刻不重合，對(duì)應(yīng)的變換就是在洛侖茲變換中的每個(gè)公式右邊加一個(gè)常數(shù)（稱為時(shí)空平移）使它們成為非齊次線性變換，稱為龐加萊變換。

洛倫茲變換是狹義相對(duì)論中最基本的關(guān)系，它反映了時(shí)間和空間是不可分的要確定一個(gè)事件，必須同時(shí)使用三個(gè)空間坐標(biāo)和一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)這四個(gè)坐標(biāo)（數(shù)據(jù)）形成的空間叫做四維空間（四維時(shí)空）

低速時(shí)，被觀測(cè)物質(zhì)的速度也遠(yuǎn)小于光速，洛倫茲變換率約為“1'退化到近似伽利略變換。相對(duì)論力學(xué)是以相對(duì)性原理為基礎(chǔ)的（牛頓力學(xué)）和洛倫茲變換一樣，牛頓力學(xué)是狹義相對(duì)論的特殊形式（洛倫茲轉(zhuǎn)換率約為“1'的情況下）低速時(shí)，狹義相對(duì)論力學(xué)類似于牛頓力學(xué)。