1、引言
    2005年是“狭义相对论”这一著名理论建立100周年；同时，恰逢爱因斯坦逝世50周年，因此，今年被定为“爱因斯坦年”、“国际物理年”。
    1879年3月14日，Einstein出生在德国南部城市乌尔姆的一个犹太人家庭，德国政府2005年1月19日在柏林宣布启动“爱因斯坦年”。不仅在德国隆重纪念爱因斯坦这位伟大的物理学家；瑞士、美国、和以色列也正在争夺这位科学巨匠的归属。其原因是：“狭义相对论”完成并发表是在瑞士首都伯尔尼；1933年，出于对纳粹追捕犹太人的恐惧，Einstein移居美国，获得美国国籍；以色列则以爱因斯坦为一名犹太人而自豪。可见，人们对于Einstein怀有崇敬之情。
    100年前的1905年被称为“奇迹年”，因为在这一年Einstein完成了6篇具有划时代意义的物理学论文，其中的5篇发表于1905年，它们是：
    （1）、《关于光的产生和转化的一个启发性观点》（3月）：这篇论文是辐射量子论的开端，明确指出了光电效应的基本规律，提出了场的量子化，历史上第一次揭示出微观客体的波—粒二象性，因而荣获了1921年度的诺贝尔物理学奖；  
    （2）、《分子大小的新测定法》（4月） ：推导出计算扩散速度的数学公式；    
v（3）、《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》（5月）：提供了原子确实存在的证明；
    （4）、《论动体的电动力学》（6月）：提出了时空关系的新理论，被称为“狭义相对论” ；
    （5）、《物体的惯性是否决定其内能》（9月）：建立在狭义相对论的基础上，明确指出质量与能量之间的内在联系，并推导出著名的方程 E＝mc².
    这几篇论文在近代物理学的三个不同领域做出了四项杰出的贡献，创造了科学史，也是人类史上的奇迹，影响了百年来物理学的发展，因此，这一年被称之为“奇迹年” 。
    相对论、量子理论和基因双螺旋结构堪称为20世纪最重要的三大科学发现，相对论在其中占有特殊的位置，它深刻地改变着人类社会的生产、生活和观念。
    Einstein闻名于世是由于他创建了相对论。他的理论概念的发展有四个阶段 —— 狭义相对论、广义相对论、宇宙学说、统一场论。Einstein除了发现相对论外，他的另一个重要成就 —— 提出了光量子思想，成功地解释了光电效应的实验规律，第一次揭示了微观客体的波—粒二象性。Einstein创立相对论和发展量子论这两个划时代的伟大功绩，被人们公认为二十世纪前半叶在人类科学史上建立起来的两座历史性丰碑。第一座丰碑完全是由于Einstein创造性的智慧建立起来的；第二座丰碑，它的第一块奠基石是普朗克放下的，Einstein为其建立和发展贡献了聪明才智。
    世界著名的物理学家 —— 狄拉克（诺贝尔物理学奖获得者）高度评价了爱因斯坦的工作。他说：“爱因斯坦的工作从根本上带有开创性的特征。他从意想不到的方向打开新的思路，创造了奇迹。其他物理学家然后发展了他的思想。爱因斯坦做出了三大革新：（1）狭义相对论；（2）波和粒子的关系；（3）广义相对论。每一个革新都意味着一个新纪元的肇始，都在科学史上享有不朽的地位。我们把这三个成就全部归功于爱因斯坦。”
    正值狭义相对论建立100周年之际，回顾相对论发展的历史，纪念为相对论的建立与发展做出杰出贡献的科学家，对于推动我国物理学在21世纪的发展，具有重要而深远的意义。
    2、狭义相对论建立的历史背景
    一门新理论的诞生有其外在条件，也有其内在因素。就外在条件而言：18世纪欧洲工业革命兴起，经过一个多世纪，到19世纪末，工业生产、科学技术有了长足的进步。电力应用逐渐推广，内燃机、蒸汽机被采用，交通运输不断扩展……，所有这些对物理学的发展都有着直接的影响。生产的发展需要科学；反过来，生产的发展又进一步推动了科学的进步。相对论理论同其他任何一门科学理论一样，是生产水平和科学技术发展到一定阶段的必然产物。
    其内在因素是：经典物理学经过近300年的发展，到19世纪末已经建立起比较完整的理论体系 ，主要体现在：
    （1）以Newton三定律和万有引力定律为基础的经典力学，确定粒子的运动规律与特点；
    （2）以Maxwell方程组和Lorentz力公式所表述的经典电磁场理论，确定了电磁场和电磁波的运动；
    （3）对于热现象有以热力学定律为基础的宏观理论和用统计物理学所描述的微观理论，确定热平衡态的物性。
    这三大理论都形成了完整的数学框架；用这些理论解释某些自然现象时，取得了巨大的成功。至此许多物理学家，其中包括很有名望的一些物理学家，认为物理学理论的骨架已经完成，今后的工作只不过是扩大这些理论的应用范围，提高实验的精确度，从而做些修补细节的工作罢了。
尤其是应用这些理论解决了当时提出的许多重大课题之后，简直到了令人崇拜的地步。其中海王星的发现就是一个非常突出的事例，是Newton力学的巨大成功，被赞誉为“不必向天空看一眼，就发现了这颗行星” ，“是在勒威耶笔尖下看到的，完全凭计算就确定了远在当时所知的太阳系之外的一颗星体的位置和大小” 。之后，运用同样的方法又发现了冥王星。
    1899年的除夕之夜，欧洲著名科学家的聚餐会上，大会主席Kelvin发表的新年贺词中说：：“19世纪已将物理学大厦全部建成，今后物理学家的任务就是修饰、完善这所大厦了。”但就在这篇贺词中他又明确指出：“在物理学晴朗天空的远方，还有两朵小小的、然而令人不安的乌云。”一朵就是黑体辐射经典理论结果带来的困惑，即所谓的“紫外灾难” （或发散困难）；另一朵就是迈克尔逊 — 莫雷实验零结果引发的思考。
    正是这两朵“小小的乌云”不断扩大，酿成了物理学一场深刻的革命风暴，最终导致了量子论和相对论的诞生，从而开创了物理学的新纪元。
    1900年，Planck为了解释黑体辐射的实验规律，提出了谐振子模型，并大胆假设谐振子的能量取值是不连续的，这种能量量子化的思想，导出了与实验结果相符合的黑体辐射规律公式，这就是著名的Planck公式。这一成果标志着一个全新的物理理论 —— 量子论的诞生。1900年不仅是历书上一个新世纪的开始，也是物理学一个新纪元的开端。之后，Einstein为了解释光电效应的实验规律，提出了光量子的思想，将Planck的量子论加以推广。后来，Compton通过实验（著名的Compton散射实验）进一步证实了Einstein光量子思想的正确性，并深刻地揭示出光的波 — 粒二象性。
    1913年，N . Bohr将量子理论应用于原子结构，提出了崭新的原子结构模型 —— 玻尔模型。以后，许多人应用这种模型讨论各种物质的光谱结构，取得了很大的成功。1924年，法国科学家de . Broglie在光的二象性的启发下，提出了一切微观客体都具有波 — 粒二象性的新观念，并很快被实验所证实，从而将Planck的量子论发展到一个更新的阶段 —— 量子力学的建立。
    1905年，Einstein为了解释迈克尔逊 — 莫雷实验的零结果，提出了相对性原理和光速不变原理，创建了狭义相对论 —— 从而建立起崭新的时空观，揭示出质量与能量的内在联系，给出了高速运动物体的力学规律……。经典力学解决宏观物体、低速运动情况是卓有成效的；但当物体的运动速度可与光速相比拟时，经典力学的理论就不完全适用了，需要新的理论取而代之。
    1916年，Einstein又创立了广义相对论 —— 关于引力场的理论。广义相对论的建立，对时空观念做了进一步变革：将时空性质与物质的存在更紧密地联系起来了，时间和空间不能脱离物质世界而独立存在，不是物体存在于空间之中，而是这些物体具有空间的广延性。因此，一无所有的空间是没有意义的。
    相对论目前已被大量的实验事实所证实，它已成为近代物理学和一些现代工程技术不可缺少的理论基础，有着重要的指导意义。
    相对论和量子论是近代物理学的两大支柱，是近代物理学的理论基础，在这些理论的指导下，推动了微观领域各个学科的建立与发展，形成了众多的理论体系。
    3、狭义相对论内容简介
    狭义相对论的含意——以Einstein的两条基本假设为基础的物理学，或者说狭义相对论就是以Lorentz变换不变性为基础的物理学；而牛顿力学是以Galileo变换不变性为基础的理论体系。
狭义相对论的任务——考查全部现有的物理定律，借助Lorentz变换来检验它们是否服从相对性原理。
狭义相对论的理论框架概括为 —— 两条基本原理、一个变换、三个运动学效应、三个动力学基本关系式。
    （1）两条基本原理：
    1)狭义相对论的相对性原理
    内容表述：* 一切惯性系中，物理学规律具有相同的表示形式；
    *  所有惯性系都是等价的；
    * 物理学定律与惯性系的选取无关。
    2）光速不变原理
    内容： 所有惯性系中，光在真空中沿各方向传播的速度都相同， 均为C ，与光源选取（即与光源是否运动）无关。
    这两条假设是狭义相对论的基础。光速不变原理实际上是狭义相对论的基本实验规律；相对性原理则
    是处理各种问题的基本出发点，是建立动力学方程的基础。
    （2）一个变换 —— Lorentz变换：
    Lorentz变换是在 满足两条基本假设的条件下，两个惯性系之间时空坐标的变换关系。因此，这种变换是两条基本假设的直接结果；另外，从速度变换公式可以看出，一切物体的运动速度都不能超过光在真空中的传播速度C，也就是说，光在真空中的传播速度为物体运动的极限速度。
    （3）三个运动学效应：
    从Lorentz变换出发，可以导出许多与牛顿时空观不同的结果，具有代表性的体现在下面的三个方面 ：
    1）同时的相对性
    有两个坐标系 —— S系和S’系。在S系中，在两个不同地点A 、B同时发生两个事件，比如同时燃两支蜡烛；而在S’系中的观察者，看到的这两个事件却不是同时发生的，即
              S系中：tA ＝ tB ；  S’系中：t’A ≠ t’B .
    表明同时是相对的，与坐标系的选取有关。
    2）时间的相对性 —— 运动时钟变慢（时间延缓效应）
    一个事件所经历时间的量度与惯性系的选取有关。相对于参照系静止的观察者，测量的时间间隔Δt小于相对于参照系运动的观察者测量的结果Δt’，
    即                    Δt ， > Δt.
表示运动物体上发生的自然过程比静止物体上同样的过程延缓了，或者说时间拖长了，也就是相对于观察者运动的时钟变慢了，反映出时间的相对性。这一现象在研究粒子的寿命时，可以得到直接的证实。
    3）长度的相对性 —— 运动的尺子缩短（收缩效应）
    一把尺子的长度是通过测量它的两个端点的坐标来确定的；同一把尺子的长度，在不同的惯性系中，测量的结果可以不相同，反映出长度的相对性。相对于尺子静止的观察者，测量的结果ΔL要大于相对于尺子运动的观察者测量的结果ΔL’。  即
                        ΔL > ΔL’.
    例如，一个正方体沿X轴方向运动时，变成了一个长方体；一个球体变成了一个椭球。
    所有这些运动学效应，纯属于一种相对论效应；这种效应是时空的基本属性引起的，与钟和尺子的具体结构无关，这不同于牛顿力学的时空观。按照伽利略变换，时空的度量是绝对的，不会因惯性系的选择而改变。
    另外，这种相对论效应是互逆的。因此，在讨论问题时，应明确相对于哪个参照系而言。
    有关运动学效应，在我们日常生活中是很难理解的。因为我们平时接触的都是远远小于光速的运动，根本无法观察到相对论中所描述的长度收缩、时钟变慢等现象。但是，如果接近光速的运动能够变成现实的话，一个以这样速度运动的人，对于另一个静止的观察者来看，这个人就可能变成一条线了。还可能会出现这样的情景：一个人坐上光子火箭，以接近光速的速度去做星际航行。一年后他回来了，发现儿子已经是白发苍苍的老人了；而自己还是那么年轻。中国古代传说中的“天上方一日，人间已一年” ，便可用相对论得到解释。
    （4）三个动力学关系式：
    从上面的讨论中，我们知道长度和时间的度量与惯性系的选取有关。这样，就使得经典力学中的一些绝对量变成了相对量；那么，另一些物理量，诸如质量、能量、动量……又如何呢？下面来讨论这方面有关的问题。
     1）质量 — 速度关系
                         m ＝ mo /  
    在相对论力学中，质量m不再是一个不变量，而是速度的函数。当
    v ＝ 0.1 c 时，质量增加0.5％ ；
    v = 0.866 c时，m（运动质量） = 2mo（静止质量） ；
    v = 0.98 c时， m = 5mo ；
    v → c 时，m → ∞ 。
    这一现象人们在研究电子运动时被发现了。早在1897年，法国科学家Kaufman曾用不同速度的电子，观察其在磁场作用下的偏转情况，来测定电子的质量。实验结果发现，电子质量随电子速度的不同表现出一定的差异。
    当物体运动的速度 v 《 c时，m ≈ mo 。如火箭的速度v = 11.2km / s 时，m = 1.000 000 0009mo ，质量变化非常小，不易观测到。
由于物体的质量不可能为负值，因此，光速即为极限速度。1966年，美国斯坦福电子直线加速器，全长3000m ，加速电势差达7 Mv / m ，将电子的运动速度加速到0.999 999 999 7c ，只能接近光速，而永远达不到光速。
    质速关系式进一步揭示了物质与运动之间的不可分割性。
    2）质量 — 能量关系
                     E = m c²
    质量和能量是物质的两种不同属性，它们之间有着内在的联系，质能关系式将它们有机地统一起来了。
    质能关系式只是一种当量关系。不能理解为能量与质量之间可以相互转化，更不能说能量就是质量。
    质能关系式表示有质量就有能量，而能量对应着物体的一种运动状态，从而表明物质与运动是不可分的，自然界不存在不运动的物质。
    3）能量 — 动量关系
                     E² ＝ p²c² + m_o²c⁴
    从这个关系式可以看出有负能量状态的存在，从而为反粒子的提出提供了依据。1930年，Di rac预言了电子的反粒子 —— 正电子的存在；到了1932年，美国物理学家Anderson在云室中果然发现了正电子。
    4、狭义相对论建立的意义
    （1） 狭义相对论否定了牛顿力学的绝对时空观。
    过去的物理学都是以牛顿力学为理论基础。牛顿时空观的基本思想是：
    1） 时间是均匀的，时间间隔是绝对的，即 Δt ＝ Δt’；
    2） 空间是各向同性的，长度是绝对的，即 ΔL ＝ ΔL’；
    3） 时间和空间是相互独立的，彼此之间没有任何直接联系。
    似乎宇宙间存在着一个永远走动的大钟，在任何情况下，它的速率永远都是相同的，世界上的一切运动在时间上都是以它为度量的标准。Galileo变换正是经典时空观的集中体现。
    狭义相对论否定了经典力学的时空观，建立了相对论的时空观，内容包括：
    1）时间不是绝对不变的，而是具有相对性，时间间隔的度量与参照系的运动状态有关；
    2）空间不是绝对不变的，也是具有相对性，空间间隔的度量是与参照系的运动状态有关；
    3）时间与空间有着密切的联系，孤立的时间和孤立的空间都是不存在的。
    Lorentz变换是相对论时空观的具体体现。
    广义相对论的建立，近一步揭示出时空与运动着的物质是密不可分的，不存在脱离物质运动的绝对时间和绝对空间，换句话说，抛开物质的运动谈时间和空间是没有意义的。
   （2）狭义相对论否定了牛顿力学中物体质量绝对不变的观点。
    宏观物体在低速运动的情况下，物体的质量视为不变的；而当物体的运动速度可与光速相比拟时，狭义相对论明确指出：物体的质量不再为常量，而是随着物体的运动发生变化的。即当物体高速运动的时候,其质量会随物体运动速度的增大而增加，质速关系式清楚地揭示了这一变化关系。
    (3)狭义相对论否定了牛顿力学中质量与能量互不相关的思想。
    牛顿力学认为质量与能量是两个意义完全不同的物理量，彼此之间互不相关；而狭义相对论则认为质量与能量之间有着密切的关系，质能表达式便是很好的体现。而质能关系的建立，为新能源的开发提供了理论依据。裂变反应能和聚变反应能的利用，便是典型的事例。
   （4）相对论与量子理论相结合，已建立起诸多的新兴学科、交叉学科和边缘学科。相对论量子力学、量子场论是相对论和量子理论相结合最具代表性的产物。其中量子电磁场理论已是当今世界相当精确的理论，理论预测与实验结果高度符合，很难想像在低能区相对论与量子力学之间存在着什么矛盾；在极高的普朗克能区，两者尚需进一步发展，其结果将会统一在新的理论之中。
    5、结束语
    相对论的建立从根本上改变了物理学的面貌。它否定了经典力学的绝对时空观，建立起相对论的时空理论；它推倒了牛顿力学中质量不变、质量与能量互不相关等基本命题。从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观，深刻地揭示了时间与空间的本质属性，即揭示了时空的可变性、时空变化的连续性，树立了新的时空观、运动观、物质观。这一理论被后人誉为20世纪人类思想史上最伟大的成就之一，这是一场真正的科学革命。
    相对论建立至今这一百年来，物理学有了很大的发展，波及到众多的学科和领域。如今，这棵参天大树更加枝繁叶茂。由物理学研究带来的新技术、新产品曾出不穷，从根本上改善了人们的生产方式和生活方式。
    在历史的长河中，任何理论都是相对真理，都有其适用范围，都有在新的条件下进行改进的必要和可能；另外，在我们面前还有许多未解之谜，诸如宇宙和时空是怎么起源的？宇宙的能量到底是从哪里来的？质量是怎样产生的？最基本的物质形态到底是什么？……面对这些重大课题，人们将会以新的思维方式和新型的仪器设备进行深入地研究和探索，从而创建新的理论，推动21世纪科学技术更大的发展，造福于人类！
    狭义相对论自建立之日起就褒贬不一，支持的和反对的都大有人在。时至今日，依然如此，这是很正常的现象。否则的话，一边倒，那到不正常了。既然这样，对于理论正确的一面，应该继承和发展；对于不正确的内容应该加以修正和完善，甚至建立新的理论来取而代之。只有这样，才能使理论不断推陈出新，不断向前发展。完全肯定，或完全否定，都是不妥当的。应以辨证的观点和方法进行研究和探讨，这将是有益的。

    附录—— 广义相对论内容概要
    1、两条原理
    （1）相对性原理：
    描述各种物理过程的规律，对于所有参照系（包括惯性系和非惯性）都是等价的，称为广义相对性原理。
    * 广义相对性原理是以引力质量与惯性质量相等，惯性力等效于引力为前提的。
    （2）等效性原理：
    1）引力的作用在某种意义上可能和加速度等效；
    2）由加速运动产生的效果与由引力产生的效果严格抵消。
    * 在一个小体积范围内的万有引力和某一加速系统中的惯性力相互等效。
    2、广义相对论导出的一些重要结论
    （1）水星近日点的进动规律：超前角度为    ＝9×10－6度
                                           ＝2  v2 / c2.
    （2）光线在引力场中发生弯曲：弯曲角度为  ＝0.87”.
    （3）引力红移：引力场中光谱线向红端移动。
    * 狭义相对论是广义相对论在引力场很弱时的特殊情况。

     [北京相对论联谊会]