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狭义相对论是由阿尔伯特·爱因斯坦（ ，1879～1955）在1905年发表的。这一物理理论刚一发表就吸引了众多研究人员。虽然相对论自诞生以来已经过了一百多年，但是爱因斯坦最初创建的框架几乎不需要做任何变更，至今依然有效。那么，狭义相对论讲的到底是什么？如何才能通俗理解呢？一起来看一下这几个关键词吧。
光速不变原理
光速不变原理是相对论的两大基本原理之一，是指“对任何观测者来说，光速都是恒定不变的”，由阿尔伯特·迈克尔逊（ ，1852～1931）和爱德华·莫雷（ ，1838～1923）在1887年开展的实验证实。他们预测地球的运动会影响光速，并做了一个实验来测量光速会发生多大的变化。实验结果与两人的预测相反，光速并没有发生变化。明明地球在运动，但光速却与地球静止时的光速相同。
爱因斯坦以光速不变原理为基础，认为要想光速对运动中的观测者来说保持不变，那么，正在运动的观测者的时间和空间就必须发生变化，从而提出了狭义相对论。不过狭义相对论，在其论文中，爱因斯坦并没有提及迈克尔逊和莫雷的实验。
相对性原理
相对性原理与光速不变原理都是狭义相对论的基础理论。相对性原理有各种各样的表述，其中之一是“在不加速即匀速运动（惯性运动）的房间里和静止不动的房间里，物理实验的结果是相同的”。例如，无论在静止不动的室内还是做惯性运动的交通工具内，我们都能过同样的日常生活，这就是相对性原理的表述。
根据相对性原理，无论在室内进行什么物理实验，都无法分辨这个房间是静止不动的还是在做惯性运动。只有与房间外的物体进行对比时，才知道房间（相对于那个物体）是如何运动的。与其他物体比较后才知道的性质被称为“相对的”，利用这个词，可以把相对性原理表述为“运动是相对的”。正在做惯性运动的两艘宇宙飞船，只有通过相互观察才能够知道各自在以多快的速度飞行。
时空伸缩
爱因斯坦曾经思考过“在以接近光速行驶的火车中照镜子的话，镜子里会映出什么样子”。根据光速不变原理和相对性原理，即便观测者以接近光速的速度运动，镜子里呈现的身姿也不会改变，如果测量光速，就会得到与静止时相同的数值。爱因斯坦认为，要想实现这种看似不可思议的情况，正在运动的观测者所使用的尺度必须缩小，时刻必须偏移，时间流逝必须变慢，否则就会破坏相对性原理。这是让学习相对论的人特别头疼的地方，如果从列车内部向外面观测，火车外的尺度会缩小，时间流逝会变慢。但是，光速为每秒大约30万千米，远远快于日常的速度，因此，相对论的效果微乎其微狭义相对论，我们根本感觉不到。
E＝mc2
“能量与质量是相同的”是狭义相对论得到的结论之一，也称为“质能等效性”或“质能等价性”，用公式“E=mc2”表示，E代表能量，m代表质量，c代表光速。
在物理学中，能量是指推动物体运动、加速或加热的能力。例如，正在运动的物体可以推动其他物体运动，所以具有动能。由于能量与质量是相同的，正在运动的物体的质量会比静止时增加。不过，如果物体的运动速度远远小于光速，其质量的增加微乎其微，所以平时我们根本感觉不到质量的变化。例如，以1千米/秒的速度发射的子弹所增加的质量大约是发射前质量的1万亿分之5。
本文摘编自《科学世界》2022年第11期《无处不在的相对论》。阅读全文可进入“科学世界微店”购买本期杂志。
新媒体编辑| 张丽君
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