Question

光速在任何参考系下恒定，这正是狭义相对论需要解决的问题

Answer 1

几乎所有的物理学定律都着眼于对空间中物体的活动情况随时间而变化的描述。只有选定一个恰当的参照物，一个物体的位置，或者一个事件发生的地点才有可能被清晰表达出来。例如，在阿脱武德机实验中，重物的速度与加速度的参照物是该机本身，实际上也是相对于地球而言的。天文学家可以将太阳系的中心作为参照系，以此描述行星的运动。因此，所有的运动都可以描述为在某一参照系下的运动。

我们可以设想，有一个由杆构成的架子，它与参照物连接在一起，并且延伸至空间当中。如果将这个设想中的架子看成三维空间的笛卡尔坐标系，那么，我们就能够得到三个数来表示任一位置空间点的坐标。我们把这样与某参照物紧密连接的架子称为参照系。

并不是所有的物体都适合做参照物。在相对论出现之前，人们就已意识到适当选择参照系的重要性了。17世纪后期的物理学之父伽利略，曾经为了让人们接受日心参照系这一学说，不惜冒着被监禁甚至烧死的危险也要将之广为传播。后来我们通过分析才明白，他与当时专制势力争论的主题正是对参照物的选择问题。

牛顿在后来的物理学概论中对此作出了详细描述，才使人们普遍接受了日心参照系这一学说。然而，牛顿并没有止步于此。为了证明有的参照系比其他参照系更适于描述自然形态，他设计了著名的水桶实验。

水桶实验是牛顿为证明绝对空间的存在所做的实验。牛顿对于该实验的解释，后来遭到奥地利物理学家、哲学家马赫和爱因斯坦的颠覆。其实验方法为：

很显然，上面水桶实验的参照系是地球。我们可以把水面的这种变化作这样的描述：水在不转动时呈现平面状态，转动时则为抛物面状态。这种状态的改变与桶的运动状态无关。

现在，我们设想一个以大小不变的角速度相对于地球转动的参照系，且这个角速度就等于水桶的最大角速度值。我们从这个参照系的角度来观察上面的整个实验：一开始，绳子、水桶以及水都以某一相等的角速度相对于这个参照系“转动”,水保持平面状态；接着，水桶与绳子慢慢停止“转动”,于是水面就变成了抛物面；然后再将水桶与绳子相对于这个参照系“转动”(对于地球这个参照系而言，水是静止的),水又会慢慢变回平面状态。对于这个参照系，我们可以用这样的定律描述：只有当水按照一定角速度“转动”时，水面才会呈现平面状态，但一当偏离这个特殊运动状态，水面就无法保持平面了。它偏移的角度将与这个运动的偏离程度成正比。也就是说，静止的状态也可能使水面呈现抛物面状态，同样，它与桶的转动也没有任何联系。

牛顿的水桶实验很恰当地让我们明白了什么叫做“恰当的”参考系。任何选定的参考系都可以用来描述自然以及自然界的定律。然而，在所有这些参考系中，只有一个或者说少数是可以让描述自然定律变得简单的。换句话说，在这些少数的参考系中，自然定律比在其他参考系中包含的因素更少。我们还是以牛顿的水桶实验为例子，如果我们用后面那个与水桶相连的参考系来描述自然现象，那么，我们就必须在我们描述的物理定律前多加一个前提，那就是水桶相对于一个“更好的”参考系(例如地球),拥有一个角速度ω。

而在对行星的运动规律进行说明时，我们发现日心参照系是比地心参照系更优良更简单的参照系。这也是为什么即使在开普勒和牛顿关于基础定律的表述得到公认之前，哥白尼和伽利略的描述已否定了托勒密描述的原因。

当人们意识到参照系的选择将对自然定律的形式造成影响时，许多人开始尝试用数学形式来确定这种选择的效果，对此他们进行了许多研究和实验。

在物理学中，力学是最早以完整的数学定律来加以表述的。在所能够想象到的所有参照系中，有一些能够让惯性定律以人们熟悉的形式呈现，即在没有外力作用的情况下，一个质点的空间坐标与时间呈现线性函数关系。我们把这样的参照系称为惯性系。例如牛顿水桶实验就是这样的。我们可以用任何其他的参照系来描述不受力作用的质点的运动，但它们的惯性定律的数学表达式则要复杂许多，它们的空间坐标将不再是时间的线性函数。

因为在所有的惯性参照系中，力学规律都采用了相同的形式，因此，我们无法从力学上观察到参照系不同表现在物体本身上的差异。从力学的观点看来，所有的惯性参照系都是等效的。无论我们采用什么样的参照系，我们所描述的自然现象都是等效的，这就是相对性原理。