絕對時空觀
所謂時空概念，就是對時間和空間的物理屬性的認識。伽利略變換是對力學相對性原理的數學描述。它反映了經典力學中的絕對時空概念。
1.時間間隔與慣性系的選擇無關。
如果兩個事件相繼發生，兩個不同慣性系的觀測者測得的時間間隔是相同的。
2.空間間隔與慣性系的選擇無關。
空間任意兩點之間的距離與慣性系的選擇無關。
我們可以看到，在經典力學中，物體的坐標和速度是相對的，同壹個地方也是相對的。但是時間、長度、質量這三個物理量是絕對的，同時，它們也是絕對的。這是經典力學中的絕對時空概念。
尋找以太
19世紀中期，麥克斯韋建立了電磁場理論，預言了以光速c傳播的電磁波的存在，19世紀末，實驗完全證實了麥克斯韋的理論。什麽是電磁波？它的傳播速度c給誰？當時流行的觀點是，整個宇宙充滿了壹種叫做“以太”的連續介質，光和無線電信號在以太中波動。壹個完整的理論需要仔細測量以太的彈性性質。為此哈佛大學建立了傑斐遜實驗室，整個建築沒有使用任何釘子，避免幹擾磁性測量。然而，由於計劃者忽略了栗色轉子中含有的大量鐵，預計實驗無法如期進行。到了世紀末，開始出現了偏離穿透所有以太的概念。如果認為地球在靜止的以太中運動，那麽根據速度疊加原理，光在地球上不同方向傳播的速度必然不同，但實驗否定了這壹結論；如果我們認為以太是被地球帶走的，顯然與壹些天文觀測不符。對此，人們發現這是壹個充滿矛盾的理論。
邁克爾遜·莫雷實驗示意圖1887阿爾伯特·邁克耳孫和愛德華·莫雷利用光的幹涉現象進行了非常精確的測量，仍然沒有發現地球相對於以太的任何運動。對此，H.A .洛倫茲提出了壹個假設，所有在以太中運動的物體都應該沿著運動方向收縮。由此，他證明了即使地球相對於以太運動，邁克爾遜也找不到。愛因斯坦從完全不同的思維方式研究這個問題。他指出，只要放棄牛頓的絕對時間概念，壹切困難都可以解決，根本不需要以太。
★註:以太:由希臘學者提出，認為是光傳播的媒介。
固定以太理論:如果光是壹種叫做以太的彈性物質中的波，那麽飛船上有人向它移動。
(a)好像光速變高了，好像飛船上有人和光同向移動(b)好像光速變高了。
低壹點。
兩個基本假設
1.物理定律在所有慣性系中都有相同的形式。
2.在所有慣性系中，光在真空中的傳播速率都有相同的值c。
第壹個叫做相對性原理。意思是說，如果坐標系K '相對於坐標系K勻速運動而不旋轉，那麽在任何相對於這兩個坐標系所做的物理實驗中，都無法區分哪個坐標系是K，哪個坐標系是K '。
第二個原理叫做光速不變原理，意思是光速c(在真空中)是不變的，它不依賴於發光物體的移動速度。
從表面上看，光速不變似乎與相對性原理相沖突。因為根據經典機械速度合成定律，對於以相對勻速運動的K '和K兩個坐標系，光速應該是不同的。愛因斯坦認為，為了承認這兩個假說並不沖突，我們必須重新分析時間和空間的物理概念。
洛倫茨變換
經典力學中的速度合成定律實際上取決於以下兩個假設:
1.兩個事件之間的時間間隔與用來測量時間的時鐘的運動狀態無關。
2.兩點之間的空間距離與用來測量距離的尺子的運動狀態無關。
愛因斯坦發現，如果承認光速不變原理和相對論原理是相容的，那麽這兩個假設都必須拋棄。這時，壹個時鐘同時發生的事件對另壹個時鐘來說不壹定是同時的，同時具有相對性。在有相對運動的兩個坐標系中，測量兩個特定點之間的距離所得到的值不再相等，距離具有相對性。
如果K坐標系中的壹個事件可以由三個空間坐標X、Y、Z和壹個時間坐標T確定，而K坐標系中的同壹個事件由X’、Y’、Z’和T’確定，愛因斯坦發現X’、Y’、Z’和T’可以由壹組方程求出。兩個坐標系的相對速度和光速c是方程僅有的參數。這個方程最早是由洛倫茲導出的，所以叫洛倫茲變換。
利用洛倫茲變換，很容易證明鐘會因為運動而變慢，尺子在運動時會比靜止時短，速度之和滿足壹個新的定律。相對論原理也表述為壹個明確的數學條件，即在洛侖茲變換下，帶撇號的時空變量X’、Y’、Z’和T’將代替時空變量X、Y、Z和T，任何自然規律的表述仍將采取和以前壹樣的形式。人們所說的自然普遍規律對於洛倫茲變換是協變的。這對我們探索自然的普遍規律非常重要。
時間和空間之間的聯系
此外，在經典物理學中，時間是絕對的。它壹直扮演著不同於三個空間坐標的獨立角色。愛因斯坦的相對論涉及時間和空間。認為物理的真實世界是由各種事件組成的，每個事件由四個數字描述。這四個數字就是它的時空坐標T和X，Y，Z，形成壹個四維的剛性連續時空，通常稱為閔可夫斯基平坦時空。在相對論中，用四維的方式來審視物理的真實世界是很自然的。狹義相對論引起的另壹個重要結果是關於質量和能量的關系。在愛因斯坦之前，物理學家壹直認為質量和能量是完全不同的，是分別守恒的量。愛因斯坦發現，在相對論中，質量和能量是不可分的，兩個守恒定律合二為壹。他給出了壹個著名的質能公式:e = MC ^ 2，其中c是光速。所以質量可以看作是它的能量的壹種度量。計算表明微小的質量蘊含著巨大的能量。這在後來的核反應試驗中得到了證明。
大多數物理學家，包括相對論變換關系的創始人洛倫茨，都很難接受愛因斯坦引入的這些全新概念。舊的思維方式的障礙使得這個新的物理理論直到壹代人以後才被物理學家所熟悉。甚至在1922年英國皇家瑞典學院科學獎授予愛因斯坦的時候，也只是說，“因為他對理論物理的貢獻，還因為他發現了光電效應定律。”對相對論只字不提。
建立廣義相對論
愛因斯坦在1915年進壹步建立了廣義相對論。狹義上的相對性原理只限於勻速運動的兩個坐標系，而廣義相對性原理中取消了勻速運動的限制。他引入了壹個等效原理，認為無法區分引力效應和非勻速運動，即任何加速度和引力都是等效的。他進壹步分析了光在經過壹顆行星附近時會被引力彎曲的現象，認為引力這個概念本身完全沒有必要。可以認為行星的質量使得其附近的空間是彎曲的，光線走的是最短的路徑。基於這些討論，愛因斯坦導出了壹組方程，可以確定由於物質的存在而導致的彎曲空間幾何。利用這個方程，愛因斯坦計算出了水星近日點的位移，與實驗觀測完全壹致，解決了壹個長期無法解釋的難題，讓愛因斯坦興奮不已。他在給埃倫費斯特的信中寫道...這個方程給出了近日點的正確值。妳可以想象我有多開心！好幾天，我高興得都不知道該怎麽辦了。”
實驗驗證
1915 165438+10月25日，愛因斯坦向柏林普魯士科學院提交了壹篇題為《萬有引力方程》的論文，該論文對廣義相對論進行了充分的論述。在這篇文章中，他不僅解釋了天文觀測中發現的水星軌道近日點運動之謎，還預言了星光經過太陽後會發生偏轉，偏轉角度相當於牛頓理論預測值的兩倍。第壹次世界大戰推遲了這壹數值的確定。1919年5月25日的日全食，為人們提供了戰後第壹次觀測機會。英國人愛丁頓去了非洲西海岸的普林西比島，做了這個觀察。165438+10月6日，湯姆遜在英國皇家學會和英國皇家天文學會的聯席會議上鄭重宣布，是愛因斯坦而不是牛頓證明了這個結果。他稱贊“這是人類思想史上最偉大的成就之壹。”愛因斯坦發現的不是壹個孤島，而是壹個全新的科學思想大陸。“《泰晤士報》以“科學中的革命”為題報道了這壹重要新聞。這個消息傳遍了全世界，愛因斯坦成了舉世聞名的名人。廣義相對論也被提升到了壹個神話般的神聖地位。
此後，人們對廣義相對論的實驗檢驗表現出越來越大的興趣。但是由於太陽系的引力場很弱，引力效應本身很小，廣義相對論的理論結果與牛頓的引力理論偏離很小，使得觀測非常困難。從20世紀70年代開始，由於射電天文學的進步，觀測的距離已經遠遠超過了太陽系，觀測的精度也大大提高。尤其是1974年9月，麻省理工學院的泰勒和他的學生霍爾斯用直徑305米的大型射電望遠鏡觀測，發現了壹顆脈沖雙星。它是壹顆中子星和它的伴星在引力作用下相互繞轉，周期只有0.323天。它表面的引力比太陽表面強10萬倍。這是壹個不可能在地球上甚至在太陽系中檢驗引力理論的實驗室。經過十幾年的觀察，他們得到了壹個非常好的結果，符合廣義相對論的預言。因為這壹巨大貢獻，泰勒和霍爾斯獲得了1993諾貝爾物理學獎。