伽利略相對性原理牛頓力學時空觀1905年，愛因斯坦發表了著名論文《論運動物體的電動力學》，他在狹義相對性原理和光速不變原理的基礎上建立了狹義相對論.狹義相對論適用于慣性參考系，它從時間和空間等基本概念出發，利用洛倫茲變換將力學和電磁學統一起來，建立了嶄新的狹義相對論時空觀，預言了時間延緩、長度收縮效應，并在此基礎上修正和發展了牛頓力學，得出了質量-速度關系和質量-能量關系.狹義相對論在涉及高速運動情況時，與經典理論顯示出明顯的區別，但在低速情況下，該理論自然還原為經典理論，顯示出它的兼容性和普遍性.狹義相對論是20世紀物理學最重要的發現之一，它對整個物理學都帶來了極其深遠的影響，從而成為近代物理學的主要理論基礎之一.經典物理學是從否定亞里士多德的時空觀開始的.當時哥白尼的“地動說”和亞里士多德-托勒密體系的“地靜說”之間曾有一場激烈的爭論.地靜派有一條反對地動說的強硬理由：如果地球是在高速地運動，為什么在地面上的人一點也感覺不出來呢？這的確是不能回避的一個問題.1632年，伽利略在他的名著《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》中針對這一問題給出了回答.他發現從一艘船中發生的任何一種力學現象中，都無法判斷船究竟是在做勻速運動還是停著不動，即在一個慣性系中能看到的種種現象，在另一個慣性參考系中必定也能無任何差別地看到.現在稱這個論斷為伽利略相對性原理.經典力學的時空觀集中體現在伽利略相對性原理中.所有力學定律在一切慣性參考系中具有相同的形式，任何力學實驗都不能區分靜止和勻速運動的慣性參考系，力學中的絕對靜止參考系是不存在的，因此，伽利略相對性原理也稱為力學相對性原理.它的數學表達形式稱為伽利略變換.伽利略變換一、如圖14-1所示，設兩個慣性參考系S和S′，在這兩個慣性系中分別建立直角坐標系，取它們的坐標軸對應平行，然后在兩個參考系中分別放置一鐘表用來計時.圖14-1伽利略變換在參考系S中的空間和時間坐標為（x,y,z,t），在參考系S′中的空間和時間坐標為（x′,y′,z′,t′），我們將時空坐標稱為事件，即在某一時刻發生在某一點的事件.我們取在t=t′=0時，兩坐標系原點O和O′重合.設參考系S′以恒定的速度v沿x軸正方向相對參考系S運動，則任意事件P在兩個參考系S和S′中所測結果的關系為(14-1)其分量形式為(14-2)其逆變換為或(14-3)這就是伽利略變換.式(14-1)對時間求一階和二階導數可得兩慣性系S和S′中速度和加速度的變換公式，即(14-4)可以看出，在經典力學中，不同慣性系中的物體的運動速度會有所不同，但加速度是相同的.因此，在伽利略變換下，牛頓力學（牛頓第二定律F=ma）的形式是保持不變的，也就是說，不能通過力學的實驗來區分所處的慣性系為絕對靜止參考系，不能測量參考系的絕對速度，所有的慣性系對牛頓力學都是等價的.經典力學時空觀二、同時性是絕對的1.有兩個事件P1和P2，若在參考系S中的觀測者測得它們同時發生在t時刻，則在參考系S′中的觀測者如果測得兩事件發生的時刻分別為t′1和t′2，則由式(14-3)最后一式可得t′1=t，t′2=t則有t′1=t′2即在參考系S′中觀測到的兩事件也是同時發生的.這說明在經典力學中同時性與參考系的選擇無關，同時性是絕對的.經典力學中同時性的絕對性實質上隱含著這樣的假設：信號的傳播速度（或相互作用的傳播速度）是無窮大的，即事件發生時的信號會瞬間傳遞到任意地點.時間間隔的測量是絕對的2.有兩個事件P1和P2，若在參考系S中的觀測者測得它們相繼發生在t1和t2時刻，則在參考系S′中的觀測者如果測得兩事件發生的時刻分別為t′1和t′2，則由伽利略變換可得t′1=t1，t′2=t2則有t′2-t′1=t2-t1即在參考系S′中觀測到的兩事件的時間間隔和在參考系S中觀測到的兩事件的時間間隔是相等的.這說明在經典力學中時間間隔與參考系的選擇無關，時間間隔的測量是絕對的.空間間隔的測量是絕對的3.設在參考系S中沿x方向靜止地放置一根細棒，我們分別在參考系S和參考系S′中測量其長度.在參考系S中，我們分別記錄棒兩端的坐標x1和x2，則棒長為l=x2-x1；在參考系S′中，我們必須在某一時刻t同時記錄棒兩端的坐標x′1和x′2，則棒長為l′=x′2-x′1.由式(14-3)中第一式，即x′1=x1-vt，x′2=x2-vt可知l′=x′2-x′1=x2-vt-(x1-vt)=x2-x1=l由于同時性的絕對性，我們可以看出在任意參考系中，對同一長度的測量結果是相同的，即在經典力學中空