§2-3　狭义相对性原理

伽利略相对性原理是经典力学的基本原理。由于电动力学和光学的发展，人们发现仅用经典力学描述自然现象是不充分的。那么在其他物理学领域，伽利略相对性原理是否仍然正确呢？

1831年，英国科学家法拉第（见图2-5）在经过10年的艰苦实验研究，历经了无数次的实验失败后，发现了电磁感应现象。在电磁学中，导体相对磁体运动会在导体中产生动生电动势，磁体相对导体运动会在导体中产生感生电动势。如果导体和磁体相对运动的速度不变，那么这两种电动势的大小是相等的。这种导体和磁体相对运动的等价性表明电磁学也一样符合相对性原理。

图2-5　法拉第（1791—1867）

法拉第只上过两年小学，依靠自学成才，做出了电动机、发电机等一系列重大发明和发现，建立了电磁学的基础。美国科学家萨莫斯评价他“在物理学的全部历史中最全能的实验物理学家却是一个仅受过初等教育的人……他，就是法拉第”。爱因斯坦（见图2-6）在他的书房墙壁上就挂着法拉第的一张照片，并将其与牛顿和麦克斯韦的照片放在一起。当法拉第在演示他的电磁感应现象时，一位贵妇曾问道：“您的电流计指针动一下有什么意义呢？”法拉第回答道：“夫人，当一个婴孩诞生的时候，您会想到他将会完成何等事业吗？”就是法拉第的这个“婴孩”，带领人类进入了电的时代。法拉第的电磁感应定律，使人类认识到的物质运动扩展到了一个新的层次。

爱因斯坦把伽利略相对性原理从力学领域推广到包括电磁学在内的整个物理学领域，认为相对性原理是一个普遍性的原理，在整个物理学领域仍然适用，并在相对性原理基础上发展出狭义相对论理论。推广后的伽利略相对性原理被称为狭义相对性原理，又叫爱因斯坦相对性原理。

图2-6　爱因斯坦（1879—1955）

这一思想最早是由法国数学家庞加莱（见图2-7）于1902年提出的。庞加莱认为：“根据相对性原理，对于静止的观察者就像对于做匀速运动的观察者一样，物理现象的定律必然是相同的。因此，我们没有而且也不可能有任何办法辨别我们是否做匀速运动。”庞加莱最早提出相对性原理应当作为自然界的普适原理之一，因此狭义相对性原理也叫庞加莱相对性原理。庞加莱还提出：“也许，我们应该建立一个全新的力学，在这个力学中，惯性将随着速度而增大，而光速将变成不可逾越的极限。”庞加莱已经走到了狭义相对论的门口，但是由于他始终不肯放弃以太的存在，最终遗憾地与狭义相对论擦肩而过。

庞加莱在1905年，早于爱因斯坦之前十多年，就猜测可能存在以光速传播的引力波。这位大师在很多方面具有超越时代的预见性。庞加莱在去世前不久，应苏黎世工业大学邀请，对爱因斯坦申请教授职位发表了意见，他说：“爱因斯坦先生是我所知道的最有创造思想的人之一，尽管他还很年轻，但已经在当代第一流的科学家中享有崇高的地位……不过，我想说，并不是他的所有期待都在实验可能的时候经得住检验。相反，因为他在不同方向上的摸索，我们应该想到，他所走的路大多是死胡同。不过，我们也应该同时希望，他所指出的方向中能有一个是正确的，这就足够了。”然而，科学的发展表明，历史与庞加莱这位天才的大师开了一个玩笑，爱因斯坦在1905年指出的所有方向全都是正确的！

图2-7　庞加莱（1854—1912）

狭义相对性原理的具体表述为：物理定律在一切惯性参考系中具有相同的形式，任何物理实验都不能区分静止和匀速运动的惯性参考系。或者说：物理定律对一切惯性系都是等价的。

反过来，对于惯性系而言，狭义相对性原理表明：一切惯性系在物理上是完全等价的，没有任何区别。

爱因斯坦在《狭义与广义相对论浅说》中给出了支持狭义相对性原理正确性的两个依据：“有两个普遍事实在一开始就给予相对性原理的正确性以很有力的支持。”

首先：“因为经典力学对天体的实际运动的描述，所达到的精确度简直是惊人的。因此，在力学的领域中应用相对性原理必然达到很高的准确度。一个具有如此广泛的普遍性的原理，在物理现象的一个领域中的有效性具有这样高的准确度，而在另一个领域中居然会无效，这从先验的观点来看是不大可能的。”

其次：如果狭义相对性原理不成立，那么彼此做相对匀速运动的惯性系对于描述自然现象就不是等效的。“我们就应该预料到，地球在任一时刻的运动方向将会在自然界定律中表现出来，而且物理系统的行为将与其相对于地球的空间取向有关。”“但是，最仔细的观察也从来没有显示出地球物理空间的这种各向异性（即不同方向的物理不等效性）。这是一个支持相对性原理的十分强有力的论据。”