1 相对论的诞生

素材一：

宇宙

广义的宇宙定义是万物的总称，是时间和空间的统一。狭义的宇宙定义是地球大气层以外的空间和物质。“宇宙航行”的“宇宙”定义就是狭义的“宇宙”定义，宇宙航行意思就是在大气层以外的空间航行。

古代对宇宙的定义，有西汉的《淮南子》：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇”。

通过宇宙微波背景辐射的观测发现我们的宇宙已经膨胀了138.2亿年，最新的研究认为宇宙的直径可达到920亿光年，甚至更大。

人类所观察到的部分宇宙的物件大约是由4.9%的普通物质（构成恒星、行星、气体和尘埃的物质）或“重子”，26.8%的暗物质和68.3%的暗能量构成。重子物质构成星系际的“蛛网”。

在宇宙中，地球是目前人类所知唯一一颗有生命存在的星球。

宇宙大爆炸是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型，这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点为：宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的，并经过不断的膨胀到达今天的状态。

暗物质和暗能量分别通过对普通物质产生的引力作用和推动宇宙做加速膨胀而表明它们的存在。如果暗能量不存在，那么物质间的万有引力作用就会减慢宇宙的膨胀，但是天文观测表明我们的宇宙在做加速膨胀运动。宇宙由一切天体组成。

素材二：

狭义相对论

狭义相对论建立在如下的两个基本假设上：

狭义相对性原理（狭义协变性原理）：一切的惯性参考系都是平权的，即物理规律的形式在任何的惯性参考系中是相同的。这意味着物理规律对于一位静止在实验室里的观察者和一个相对于实验室高速匀速运动着的电子是相同的。

光速不变原理：真空中的光速在任何参考系下是恒定不变的，这用几何语言可以表述为光子在时空中的世界线总是类光的。也正是由于光子有这样的实验性质，在国际单位制中使用了“光在真空中1/299,792,458秒内所走过的距离”来定义长度单位“米”（米）。光速不变原理是宇宙时空对称性的体现，而中微子的超光速现象可能只是时空对称性的对称破缺而决不能推翻相对论（已证实该实验有误）。

在狭义相对论提出以前，人们认为时间和空间是各自独立的绝对的存在，自伽利略时代以来这种绝对时空的观念就开始建立，牛顿创立的牛顿经典力学和经典运动学就是在绝对时空观的基础上创立。而爱因斯坦的相对论在牛顿经典力学、麦克斯韦经典电磁学等的基础上首次提出了“四维时空”的概念，它认为时间和空间各自都不是绝对的，而绝对的是一个它们的整体——时空，在时空中运动的观者可以建立“自己的”参照系，可以定义“自己的”时间和空间（即对四维时空做“3+1分解”），而不同的观者所定义的时间和空间可以是不同的。具体的来说，在闵氏时空中:如果一个惯性观者（G）相对于另一个惯性观者（G'）在做匀速运动，则他们所定义的时间（t与t'）和空间（{x,y,z}与{x',y',z'}）之间满足洛伦兹变换。而在这一变换关系下就可以推导出“尺缩”、“钟慢”等效应，具体见狭义相对论条目。因为爱因斯坦之前的科学家们并没有高速运动的观测和体验，所以绝对时空观在古代科技水平下无疑是真理，而爱因斯坦的狭义相对论更新了人们的世界观，为广义相对论的诞生奠定了坚实的基础。

在爱因斯坦以前，人们广泛的关注于麦克斯韦方程组在伽利略变换下不协变的问题，也有人（如庞加莱和洛伦兹）注意到爱因斯坦提出狭义相对论所基于的实验（如迈克尔孙-莫雷干涉仪实验等），也有人推导出过与爱因斯坦类似的数学表达式（如洛伦兹变换），但只有爱因斯坦将这些因素与经典物理的时空观结合起来提出了狭义相对论，并极大的改变了我们的时空观。在这一点上，狭义相对论是革命性的。

素材三：

迈克耳孙莫雷实验

迈克尔逊－莫雷实验(Michelson-Morley Experiment)，是1887年迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰做的用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值的一项著名的物理实验。但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此否认了以太（绝对静止参考系）的存在，从而动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个发端，在物理学发展史上占有十分重要的地位。

在1887年到1905年之间，人们曾经好几次企图去解释迈克尔逊——莫雷实验。

1.乔治·菲茨杰拉德（GeorgeFitzGerald）根据麦克斯韦电磁理论在1889年对迈克尔逊－莫雷实验提出了一种解释。菲茨杰拉德指出如果物质是由带电荷的粒子组成，一根相对于以太静止的量杆的长度，将完全由量杆粒子间取得的静电平衡决定，而量杆相对于以太在运动时，量杆就会缩短，因为组成量杆的带电粒子将会产生磁场，从而改变这些粒子之间的间隔平衡。这一来，迈克尔逊－莫雷实验所使用的仪器，当它指向地球运动的方向时就会缩短，而缩短的程度正好抵消光速的减慢。有些人曾经试行测量菲茨杰拉德的缩短值，但都没有成功。这类实验表明菲茨杰拉德的缩短，在一个运动体系内是不能被处在这个运动体系内的观察者测量到的，所以他们无法判断他们体系内的绝对速度，光学的定律和各种电磁现象是不受绝对速度的影响的。再者，动系中的短缩，乃是所有物体皆短缩，而动系中的人，是无法测量到自己短缩值的。

2.里茨在1908年设想光速是依赖于光源的速度的，即运动光源所发射出来的光线速度与光源速度以矢量方式相加，光速，也就是以太流的影响被以太内的光速和光源的速度所抵消。一般称为弹道假说，企图以此解释迈克尔逊－莫雷实验。弹道假说由天文学上观测双星运动结果易于排除，德·希特于1931年在莱顿大学指出，如果是这样的话，那么一对相互环绕运动的星体将会出现表观上的异常运动，而这种现象并没有观察到。观测发现，光的速度与光源的速度无关。由此也证明了爱因斯坦提出的光速和不受光源速度和观察者的影响是正确的，而且既然没有一种静止的以太传播光波振动，牛顿关于光速可以增加的看法就必须抛弃。

3.1892年，荷兰物理学家洛仑兹也提出了与乔治·菲茨杰拉德相同的量杆收缩解释。这一观点可以解释迈克尔逊－莫雷实验，并承认以太存在，光速变化。1895年洛仑兹提出了更为精确的长度收缩公式，顺手把时间也调慢了一点，这就是著名的洛仑兹变换。通过以太的运动物体，纵向线度发生收缩（平行运动方向），其收缩的比例恰好符合迈克尔逊——莫雷实验的计算。同时这个方向的时间也变慢，这样这个方向的光的速度保持不变。这是光速不变的最早模型。为什么要改动时间？没有人知道，也没有理论依据。这个光速不变的版本，承认以太存在。没有悖论。根据他的设想，观察者相对于以太以一定速度运动时，长度在运动方向上发生收缩，以解释迈克尔逊-莫雷实验，时间变慢，以满足光速在量杆运动方向没有发生变化。这样洛仑兹就在不抛弃以太概念的前提下，提出光速不变。 [2-3]

4.1905年，在洛仑兹提出光速不变观点10年后，爱因斯坦认为既然光速不变，作为静止参考系的以太就没有理由存在。于是抛弃静止参考系以太、以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上建立了狭义相对论。同时保留洛仑兹变换来解释迈克尔逊-莫雷实验和光速不变。爱因斯坦的洛仑兹变换是指纯数学的空间缩短，不再是组成量杆的带电粒子距离缩短。而且这种空间缩短不具有任何实质性的物理意义。（比如两辆速度不同的火箭经过太阳系，那么从慢速火箭上看地球与太阳的空间距离与快速火箭上的看到的空间距离不同，空间距离的物理意义在于引力大小，和阳光辐射强度紧密相关。而实际地球与太阳引力大小和阳光辐射强度与两辆火箭的速度没有任何关系。）