4.1　狭义相对论的由来

爱因斯坦认为：“所有重要的科学观念都是在事实跟我们的理解之间发生剧烈冲突时诞生的。”他在书中剖析了物理学在以前300多年间一些最基本概念形成与演变的历程，这为相对论的问世提供了必不可少的动力和契机。他说：“相对论的兴起是由于实际需要，是由于旧理论中的矛盾非常严重和深刻，而看来旧理论对这些矛盾已经没法解决了。”

狭义相对论以两条基本原理作为线索（依据、基础）：第一条（相对性原理），所有的自然规律对两个相对做匀速直线运动的坐标系而言，无论采用哪一个坐标系都是相同的；第二条（光速不变原理），光线在真空中的速度永远为标准值，它与光源及光的接收者的运动无关。

让我们设想，假如有一个观察者坐在一辆以每小时360千米的速度直线行驶的高速火车上（理想实验，假定非常平稳），另一个观察者在站台上。

火车上的观察者无法区分究竟是火车，还是地面上的标志在运动。在火车上打乒乓球完全和在地面上一样，遵守牛顿的运动定律。让一个乒乓球以一秒钟两次的间隔在桌面上直上直下地弹跳，球每次都会撞到桌面的同一点上。

对于站台上的观察者而言，在他的坐标系里，乒乓球随着火车以每秒100米的速度向前行进，乒乓球第二次撞到桌面时已向前行进了100米，与第一次不在空间相同的位置上。

不管是火车内的观察者，还是站台上的观察者，他们都可以应用同样的牛顿定律。我们看到，牛顿定律打破了绝对空间（位置）的概念，但承认绝对时间，在不同的坐标系中有一个公共的时间。绝对时间作为普通常识根深蒂固地存在于人们的头脑中。

但是，把同样的推理用于火车上的一个光源，它沿着火车前进的方向发出光线，以光速向前行进。那么，站台上的观察者是否看到光的速度是原来光的速度再加上火车的速度（100米/秒）（注意：在这里我们应用了熟悉的位置与速度转换的运算，即经典转换）？

否！许多实验的证据，以及对星球传来的光线的观测，都毫无例外地得出在所有的坐标系中光速都相同的结论。而且，描述电磁波在空中结构的麦克斯韦方程也给出，电磁波在空中以固定的速度传播，这个速度就是光速。

这个矛盾的结果无疑使当时的物理学家们陷入巨大的困境。直至1905年爱因斯坦发表第一篇关于相对论的论文，这个问题才得到合理的答案。

光速不变原理和牛顿力学定律发生了冲突，爱因斯坦以无与伦比的想象力和对自己逻辑的深信发展了相对论。用比较专业的话说，在两个相对做匀速直线运动的坐标系之间，如果采用洛仑兹变换（而不是经典变换！）从一个坐标系的空间（坐标）、时间变换到另一个坐标系的空间（坐标）、时间，则所有的自然定律（包括力学定律）都是不变的。这将导致相对论的时空观，抛弃人们固有的绝对时间概念。简而言之，光速对所有观察者都不变，其实质在于每个观察者采用的时间和空间测量单位都会相应地改变：一根运动的杆在运动的方向上会缩短，而且运动速度越快，缩短越多；一个运动的钟会减慢它的步调，如果钟以光速运动，它就会趋于停止！

霍金在《时间简史》中这样表述：“相对论使我们从根本上改变空间和时间观念。我们必须接受，时间不能完全地和空间分离并且独立于它，而是和它相结合，形成一个称作时空的客体。这些都是不容易掌握的思想，甚至连物理学家们也花了许多年才普遍接受相对论。”