长治学院学士学位论文
作匀速直线运动的坐标系中，尺有相同的长度。
绝对时空观在牛顿的《自然哲学的数学原理》中是这样说的:“绝对的真正的数学的时间，本质上是一种与外界物体无关的匀速流动”
“绝对的空间，本质上是与外界无关的，是同一的和静止的，不动的” 2.2.2 牛顿力学的相对性原理：
牛顿力学是物理学中最先系统地作为一门实验科学而发展起来的分支学科,主要内容归结为牛顿三大定律，并称牛顿惯性定律成立的参照系为惯性系，不同惯性系之间的坐标牛顿力学是物理学中最先系统地作为一门实验科学而发展起来的分支学科,主要内容归结为牛顿三大定律，并称牛顿惯性定律成立的参照系为惯性系，不同惯性系之间的坐标变换，通过伽里略变换来实现。
设：k、kˊ为两惯性系，kˊ相对k以速度v沿x轴作匀速直线运动，某一事件（x、y、z、t）
在牛顿力学中：1）质点的质量被假定为与运动无关，既在不同参考系中m=mˊ
2）基于时间的绝对性及空间（杆
长）绝对性，在不同惯性系中，作用在质点上的力应该相等，
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2.2.3 经典电磁学所遇到的问题
对伽利略变换，Maxwell方程组不是协变的。于是人们就认为Maxwell电磁理论不满足相对性原理。
暗含：将伽利略变换同相对性原理等同起来。 例： ? v??
c??c?v
即在??系中，电磁现象不再服从Maxwell的电动力学，从而认为Maxwell的电动力学没有绝对性，它仅在某一个特殊的惯性系中成立。20世纪以前，物理学家认为电磁波在以太中传播，在绝对静止的以太中真空中光速等于C; 于是绝对静止的以太就充当了特殊惯性系（绝对静止参考系）的角色。 经典电磁学的2个重要问题
1. 是否有以太，绝对静止参考系；
2. Maxwell的电动力学是否有绝对性。
2.3 19世纪末电磁学的辉煌成就和矛盾
1864年，麦克斯韦建立了统一的电磁场理论——麦克斯韦方程组，由电磁场理论预言了电磁波的存在，并认为光波也是电磁波，提出了光的电磁学说，统一了电磁学和光
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学。1887年赫兹用实验证实了电磁波的存在，麦克斯韦电磁场理论取得了巨大成功。公式（1）为麦克斯韦方程组。
（1）
而且
然而，电磁场的一些规律与牛顿力学理论相矛盾。（1）以太不存在的证明： 迈克尔孙一莫雷实验，让一台干涉仪转动90度，观察干涉条纹是否移动。原理是：如果以太充满于整个空间，地球在绕太阳运动中，若以地球为参考，就会存在“以太风”，光线在不同方向运动的速度就会不同。因此，干涉仪中垂直等距的两臂中的光速将不同。当干涉仪转过9O度，其两臂互换方位时，两条光线的速度也发生互换，因而会发生干涉条纹移动现象。但实验结果没有观测到预期的条纹移动。（2）电磁场规律不满足伽利略相
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对性原理。（3）在真空中电磁波的传播速度是一常量，且与光速值吻合。这与伽利略速度变换公式矛盾。（4）电子的质量随其运动速度的增加而变大。这与牛顿力学质量是常量的结论矛盾。
2.4 物理学家为解决上述矛盾的科学探索 2.4.1 洛伦兹假设
上述矛盾使物理学家意识到，只有在理论上大胆背离经典物理学的传统观念，才有希望做出成功的解释。爱尔兰物理学家斐兹杰拉、荷兰物理学家洛伦兹研究电磁学理论后，认为传播光的媒质—— 以太是存在的。并先后提出了长度收缩假设(称为洛伦兹一斐兹杰拉收缩假设)，认为在以太中运动的物体沿其运动方向将会收缩一定倍数(其收缩倍数与后来爱因斯坦推导出的收缩倍数相同)。因此，在迈克尔孙一莫雷干涉仪中，沿着地球运动方向的“臂”都会发生收缩，所以干涉仪转过90度时，当然不会造成干涉条纹的移动了。洛伦兹还认为一切相对于以太运动的物体，沿着运动方向的收缩会导致物质原子结构的变形，是真实
的物理效应。为了使电磁场规律满足伽利略相对性原理，1904年，洛伦兹由以太假说，修改了伽利略变换式，推出新的变换关系式一洛伦兹变换式。对于洛伦兹变换式中的时间公式的物理意义，洛伦兹用“局部时间”的概念解释，认为并不是真正的时间。为了解释电子质量随其运动速度增加而变大的关系，洛伦兹假设电子的质量起源于电磁，由电子的线度沿着运动方向收缩推出了电子质量与其运动速度之间的关系式(与后来爱因斯坦推出的电子质量公式形式相同)。 2.4.2 拉摩和马赫的尝试
英国物理学家拉摩在1900年左右也推出了洛伦兹变换，发现了时间变慢公式，并提出必须抛弃以太的机械观念。奥地利物理学家马赫在著作《发展中的力学》中提出，根本不存在绝对空间和绝对运动，一切运动都是相对的。拉摩和马赫已经看出了牛顿力学理论体系的内在矛盾，但是他们都没有突破传统理念的束缚，没能建立新的理论。 2.4.3 彭加勒的贡献
法国数学物理学家彭加勒在1905年之前已经接近了相对性原理和光速不变原理的提出。他引进了四维时空观念，提出物理定律对于洛伦兹变换应该具有不变的形式，推测真空中的光速是常数，而且可能是极限速度。1904年他在圣路易斯会议的报告中写道：
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“应该构造一种完全新的动力学，那里的惯性随速度而增长，以致光速成为一个不可逾越的极限”。洛伦兹和彭加勒等物理学家虽然做了许多工作，也已走到了狭义相对论的边缘，只是观念均未能取得突破性进展。
3 爱因斯坦与狭义相对论
爱因斯坦通过钻研麦克斯韦、洛伦兹、彭加勒和马赫等物理学家的主要著作，在前人研究的基础之上，认识到了解决电磁学现象与牛顿力学矛盾的关键所在。1905年6月完成了《论动体的电动力学》论文，以推陈创新的胆略和智慧解决了电磁场规律与牛顿力学理论的矛盾。
3.1 观念上创新——拼弃光以太假说
当时，爱因斯坦还不知道迈克尔孙一莫雷实验，但他认为“光媒质”—— 以太是不存在的。在《论动体的电动力学》论文的第2自然段，他就明确指出：“光以太的引入将被证明是多余的，?”。直接拼弃以太假说和绝对参考系假说，彻底打破了光的传播需要媒质的传统观念，为创立狭义相对论扫清了道路。 3.2 思维上创新一摆脱牛顿力学绝对时空观的束缚
对牛顿力学成立的伽利略变换，在电磁学理论中不成立的原因，爱因斯坦认为是牛顿的绝对时间、绝对空间有问题。而且，爱因斯坦认为解决问题的关键是更改时间和同时性的定义。因此，在论文的第一部分，爱因斯坦明确地确定了时间和同时性的定义。爱因斯坦指出：“?借助于某些(假想的)物理经验，对于静止在不同地方的各只钟，规定了什么叫做它们是同步的，从而显然也就获得了‘同时’和‘时间’的定义。一个事件的‘时间’，就是在这事件发生地点静止的一只钟同该事件同时的一种指示，而这只钟是同某一只特定的静止的钟同步的，而且对于一切的时间测定，也都是同这只特定的钟同步的。”同时爱因斯坦还指出“我们不能给予同时性这概念以任何绝对的意义；两个事件，从一个坐标系看来是同时的，而从另一个相对于这个坐标系运动着的坐标系看来，它们就不能再被认为是同时的事件了。”爱因斯坦独到的创新思想，对时间和同时性的准确定义，摆脱了牛顿力学绝对时空观的束缚，给物理学的发展带来了质的飞跃，为创立狭义相对论迈出了关键一步。
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