一、狭义相对论的基本原理

伽利略相对性原理 1632 年，伽利略发表了《关于两种世界体系的对话》一书，其中对船舱里观察到的现象有一段生动的描述：“⋯⋯船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行，鱼向各个方向随意游动，水滴滴进下面的罐中；你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比向另一方向用更多的力，你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相同。当你仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动⋯⋯”

伽利略这段描述说明：在相对于地面做匀速直线运动的船舱里所进行的力学实验和观测，其结果与地面上的力学实验和观测结果没有差异。不能根据在船舱内的力学实验和观测，来判断船相对于地面是静止还是运动。正如地球以 30 千米/秒的速度相对太阳而运动，我们却丝毫没有感觉地球在运动一样，也不能根据地面上的力学实验来直接判断地球的公转。这是因为地面上和船舱里的力学规律具有相同的形式。牛顿第二定律的形式 F＝ma，在静止的船上和做匀速直线运动的船上是相同的。牛顿运动定律是经典力学的基础，凡是牛顿运动定律成立的参照系，称为惯性参照系， 或简称惯性系。地面参照系是惯性系，相对地面做匀速直线运动的船也是惯性系。一般而言，相对惯性系做匀速直线运动的任何参照系，都是惯性系。

综上所述，相对任何惯性系，力学规律都具有相同的形式。换言之， 在描述力学的规律上，一切惯性系都是等价的。这一原理称为伽利略相对性原理，或经典力学的相对性原理。

狭义相对论的基本原理 19 世纪中叶，麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁理论，又称麦克斯韦电磁场方程组。麦克斯韦电磁理论不但能够解释当时已知的电磁现象，而且预言了电磁波的存在，确认光是波长较短的电磁波，电磁波在真空中的传播速度为一常数，c＝3.0×108 米/秒，并很快为实验所证实。

从麦氏方程组中解出的光在真空中的传播速度与光源的速度无关。如果光波也和声波一样，是靠一种媒质(以太)传播的，那么光速相对于绝对静止的以太就应该是不变的。科学家们为了寻找以太做了大量的实验，其中以美国物理学家迈克耳孙和莫雷实验最为著名。这个实验不但没能证明以太的存在，相反却宣判了以太的死刑，证明光速相对于地球是各向同性的。但是这却与经典的运动学理论相矛盾。

爱因斯坦分析了物理学的发展，特别是电磁理论，于 1905 年提出了狭义相对论。狭义相对论的基本原理可表述于下：

  1. 相对性原理

    相对任何惯性系，包括电磁理论在内的物理规律具有相同的形式。也就是说，没有任何物理实验能确定一个惯性系的运动状态。

  2. 光速不变原理 相对任何惯性系，真空中的光速都是一个常量，c

＝3.0×108 米/秒，与传播的方向无关，与光源的速度也无关。

根据狭义相对论的基本原理，必须改变我们认为理所当然的时空观念，还必须应用相对论的基本原理改造牛顿力学。在下一节，我们将对此

加以讨论。