(1)相对地面静止的S惯性系观测到的同时事件在相对地面匀速运动的S’系看来是不同时的,即同时的相对性。
(2)同一根尺子,相对尺匀速运动的观测者比相对尺静止的观测者测量的杆长要短,即尺缩效应。
(3)同一个钟,相对其匀速运动的观测者发现这个钟比相对其静止的情况下走得要慢,即钟慢效应。
(4)空间间隔和时间间隔是相对的(在惯性系变换下是改变的),但时空间隔(时空间隔△s=√|-(c△t)2+(△x)2+(△y)2+(△z)2|,是四维空间中的不变量,其地位大致相当于三维空间中的空间间隔。)在洛伦兹变换下是不变的(光速不变原理的直接要求)。
(5)S惯性系观测到的先后发生的两个事件在相对其匀速运动的S′系看来这两个事件的先后顺序可能是颠倒的。
(6)如果假定互为因果关系的两个事件在任何惯性系下都不可颠倒因果顺序,结合狭义相对论可知:任何信号的传播速度都不可能超过真空中的光速c。
在牛顿的绝对时空观中,时间与空间是绝对的,与观测者的运动状态无关,并且时间与空间是相互独立的。现在,狭义相对论否定了这个观点。时间与空间是相对的,在惯性系变换下,它们都可能改变;时间与空间是不可分割的整体,它们一起构成的时空间隔在惯性系变换下是不变的。
2.3对理论物理学的影响
在牛顿力学统治的时代,物理学家的主要研究对象是宏观的力学系统,牛顿力学定律是在这一宏观尺度上经验总结和实验推断的结果。从电磁学现象的发现到狭义相对论的建立,研究对象的尺度发生改变,问题实际上涉及到高速运动的微观粒子。狭义相对论就是在这里发挥巨大威力的。比如,德布罗意利用相对论能量动量关系提出了物质波假设和德布罗意关系,托马斯考虑了相对论运动学效应后才给出正确的自旋轨道耦合相互作用。
在狭义相对论中,信号传播的极限速度是光速,相互作用只能是定域的,这一理念是爱因斯坦早期反对量子力学完备性的强烈理由。爱因斯坦的质疑推动了隐变量理论和贝尔不等式的检验,最终物理学家发现了量子力学的固有非定域特征。物理学家研究微观世界,离不开量子场论,而量子场论是建立在量子力学和狭义相对论的基础上的。
除了启发和指导新理论,狭义相对论对物理学家思考问题的方式产生了深远的影响。洛伦兹群反映连续的时空对称性,它要求物理的拉氏量应具有时空转动和空间旋转不变性,这启发物理学家去发现系统潜在的自由度和对称性,如宇称、同位旋、规范对称性等。
2.4狭义相对论的困难
在创立狭义相对论以后,爱因斯坦认识到该理论存在两个严重的困难:
a.狭义相对论在众多的参考系中,承认了惯性参考系相比其他参考系具有优越性,物理学规律在所有惯性系中都是平权的;然而,惯性系本身却无法被定义。
b.爱因斯坦无法将万有引力定律纳入狭义相对论的框架,万有引力定律无法被修改为洛伦兹协变的形式。
通过对这两个困难的思考,爱因斯坦最终创立了广义相对论。
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