引入
为什么光速对任何匀速运动的观察者都一样，而球的速度却会叠加？
如果光速不变，那时间和空间还能是绝对的？
为什么说“同时发生”其实依赖于观察者？
牛顿力学中，时间和空间是绝对的——所有观察者对“同时发生”有相同判断。但 19 世纪末，麦克斯韦方程组预言的光速 在所有惯性系中都相同，这与伽利略速度叠加矛盾。爱因斯坦选择了信任麦克斯韦，提出两个革命性的假设。
正文
定义
狭义相对论基于两个基本假设：
- 相对性原理：物理定律在所有惯性参考系中形式相同。
- 光速不变原理：真空中光速在所有惯性系中都是 ，与光源运动无关。
第一条：相对性原理
伽利略早就提出力学相对性原理：力学定律在所有惯性系中相同。爱因斯坦把它推广到所有物理定律，包括电磁学。
这意味着：
| 推论 | 含义 |
|---|---|
| 不存在绝对静止 | 所有惯性系在物理上等价 |
| 无法用内部实验判断自身速度 | 匀速运动的船舱里做实验，结果与地面相同 |
| 电磁学也必须遵守 | 麦克斯韦方程组在所有惯性系中形式不变 |
这条本身不奇怪，奇怪的是它与第二条合起来的后果。
第二条：光速不变原理
这是与日常直觉冲突的假设。按伽利略变换，光速应该与观察者运动状态有关：
但迈克尔逊-莫雷实验测不到“以太风”，麦克斯韦方程组也直接给出常数 。两条证据都指向：光速不随观察者改变。
| 实验/理论 | 结论 |
|---|---|
| 迈克尔逊-莫雷实验 | 各方向光速相同，无以太漂移 |
| 麦克斯韦方程组 | 是常数 |
| 双星观测 | 高速运动光源发出的光速不变 |
两条假设的冲突
把两条放在一起，矛盾就出现了：
光速不变 → 不同观察者测得同一束光的速度都是 c
↓
伽利略速度叠加失效
↓
要么放弃光速不变，要么放弃绝对时间
↓
爱因斯坦选择：放弃绝对时间接受光速不变，就必须放弃绝对时间和绝对空间。这是狭义相对论最反直觉的地方。
直接推论
| 效应 | 内容 | 表达式 |
|---|---|---|
| 同时性的相对性 | 一个惯性系中同时发生的事，在另一个中不一定同时 | — |
| 时间膨胀 | 运动的钟走得慢 | |
| 长度收缩 | 运动方向上的长度缩短 | |
| 质能等价 | 质量与能量等价 |
其中洛伦兹因子：
， 时 。这就是为什么有静质量的物体无法达到光速。
同时性的相对性
这是最容易困惑的一点。设想一列车匀速通过站台，车厢正中央有一盏灯同时向两端发光：
| 观察者 | 看到的现象 | 原因 |
|---|---|---|
| 车上的人 | 两端同时收到光 | 光源在中央，距离相等 |
| 站台上的人 | 后端先收到光 | 车在向前运动，后端迎着光 |
两人都没错，但“同时”这件事本身依赖于参考系。这不是错觉，而是时空结构的性质。
为什么日常察觉不到
| 情形 | 速度 | 效应 | |
|---|---|---|---|
| 步行 | 完全察觉不到 | ||
| 客机 | 察觉不到 | ||
| 卫星 | GPS 需修正 | ||
| 电子（加速器） | 效应显著 |
与 1 的偏差在低速下小到无法测量，所以牛顿力学在日常尺度上完全够用。
与化学的关联
| 领域 | 相对论效应 |
|---|---|
| 核反应 | 质量亏损直接转化为能量， |
| 重元素化学 | 金（Au）的黄色、汞（Hg）的液态，都与内层电子接近光速有关 |
| 量子化学计算 | 第六、七周期元素需要加入相对论修正 |
金的 电子速度约为 ，有效质量增大、轨道收缩，使 跃迁进入可见光区，因此呈黄色。这是相对论效应在日常物质中的直接体现。
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| “相对论说一切都是相对的” | 光速和时空间隔是不变量 |
| “光速不变是因为测量误差” | 是基本原理，有大量实验支持 |
| “时间膨胀是钟坏了” | 是时空本身的性质 |
| “低速下相对论就错了” | 低速下退化为牛顿力学，仍然正确 |
引出
两个假设的数学实现就是洛伦兹变换，它取代伽利略变换，成为联系不同惯性系的正确工具。
广义相对论进一步把引力解释为时空弯曲，本目录暂未展开。
为什么有静质量的物体无法达到光速？