狹義相對論
主項:狹義相對論
狹義相對論是壹種只限於討論慣性系的相對論。牛頓的時空觀認為，空間是平坦的、各向同性的、各向同性的三維空間，時間是獨立於空間的單壹維度(因而是絕對的)。狹義相對論認為空間和時間不是相互獨立的，而是壹個統壹的四維時空整體，不存在絕對的空間和時間。在狹義相對論中，整個時空仍然是平坦的、各向同性的、各向同性的，這是與“全球慣性系”相對應的理想情況。狹義相對論假設真空中光速不變，結合狹義相對論原理和上述時空性質可以推導出洛倫茲變換。
相對論
主要項目:廣義相對論
廣義相對論是阿爾伯特·愛因斯坦在1915年發表的理論。愛因斯坦提出了“等效原理”，即引力和慣性力是等效的。這個原理是基於引力質量和慣性質量的等效性(目前通過實驗確認在10之間？在12的精度範圍內，引力質量和慣性質量仍然沒有區別)。根據等效原理，愛因斯坦將狹義的相對性原理推廣到廣義的相對性原理，即物理定律的形式在所有參考系中都是不變的。物體的運動方程是參考系中的測地線方程。測地線方程與物體本身的固有性質無關，只取決於時間和空間的局部幾何性質。而引力是時空局部幾何性質的表現。物質質量的存在會造成時空的彎曲。在彎曲的時空裏，物體仍然沿著最短的距離運動(也就是沿著測地線——在歐幾裏得空間裏)。比如太陽引起的地球在彎曲時空中的測地線運動，實際上是繞著太陽轉，產生引力效應。就像在地球的曲面上，如果做直線運動，實際上是繞著地球表面的大圓走。
狹義相對論的基本原理
物質在相互作用中永遠運動，沒有不運動的物質，也沒有不運動的物質。因為物質是在相互作用中運動的，所以需要在物質的關系中描述運動，不可能孤立地描述運動。換句話說，運動必須有壹個參照物，這個參照物就是參照系。
伽利略曾經指出，壹艘運動的船的運動與壹艘靜止的船的運動是不可分的。也就是說，當妳在壹個封閉的船艙裏與外界完全隔絕時，即使妳有最發達的頭腦，最先進的儀器，妳也無法感知妳的船是在勻速運動還是靜止不動。沒有辦法感知速度，因為沒有參照物。比如我們不知道我們整個宇宙的整個運動狀態，因為宇宙是封閉的。愛因斯坦將其引為狹義相對論的第壹基本原理:狹義相對論原理。其內容是:慣性系完全等價，不可區分。
著名的邁克爾遜-莫雷實驗完全否定了光的以太理論，得出光與參照系無關的結論。換句話說，無論妳站在地上還是在飛馳的火車上，測得的光速都是壹樣的。這是狹義相對論的第二個基本原理，光速不變原理。
從這兩個基本原理可以直接推導出相對論的坐標變換公式、速度變換公式等所有狹義相對論內容。比如速度變化與傳統規律相反，但在實踐中被證明是正確的。比如火車的速度是10m/s，車上壹個人的速度也是10m/s，地面上的人看到車裏人的速度不是20m/s，而是(20-10 (-65438)。壹般情況下，這種相對論效應可以完全忽略，但當接近光速時，這種效應明顯增大。比如火車速度是光速的0.99倍，人的速度也是光速的0.99倍。那麽地面觀測者的結論不是1.98倍光速，而是0.999949倍光速。車上的人看到光從後面過來也沒有減速，這對於他來說也是光速了。所以從這個意義上來說，光速是不可超越的，因為無論在哪個參考系中，光速都是恒定的。速度變換在粒子物理中已經被無數實驗證明，無可挑剔。正是因為光的這種獨特性質，才被選為四維時空的唯壹尺度。
狹義相對論效應
根據特殊意義上的相對論原理，慣性系是完全等價的。所以在同壹個慣性系中，有壹個統壹的時間，叫做同時。相對論證明了在不同的慣性系中不存在統壹的同時性，即兩個事件(時間和空間點)在壹個關系系中是同時的，在另壹個慣性系中可能是不同的。這就是同時性的相對性。在慣性系統中，同樣的物理過程。在未來的廣義相對論中，我們可以知道，在非慣性系中，時間和空間是不統壹的，也就是在同壹個非慣性系中，沒有統壹的時間，所以統壹的同時性是不能成立的。
相對論推導出不同慣性系之間的時間進度關系，發現運動的慣性系在時間進度上是慢的，也就是所謂的鐘慢效應。壹般可以理解為，運動的鐘比靜止的鐘走得慢，越走越快，越走越慢，接近光速時，幾乎停止。
尺子的長度是在壹個慣性系中同時獲得的兩個端點的坐標值之差。因為“同時”的相對性，在不同的慣性系中測得的長度也是不同的。相對論證明，在尺子長度方向運動的尺子比靜止的尺子短，這就是所謂的標度效應。當速度接近光速時，標尺收縮為壹點。
狹義相對論的效應2
從上面的說法可以看出，時鐘慢和刻度收縮的原理是，時間的進步是相對的。換句話說，時間表與參考系統相關。這就從根本上否定了牛頓的絕對時空觀。相對論認為絕對時間不存在，但時間仍然是壹個客觀量。比如下壹期要討論的理想孿生實驗，哥哥從飛船返回後是15歲，哥哥可能是45歲，說明時間是相對的，但是哥哥確實活了15歲，哥哥也確實認為自己活了45歲，這和參照系無關，時間是“絕對的”。這說明無論物體的運動狀態如何，它所經歷的時間都是壹個客觀的量，是絕對的，這就是所謂的內稟時間。也就是說，無論妳以什麽形式運動，妳都認為妳喝咖啡的速度是正常的，妳的生活模式沒有被打亂，但別人可能看到妳喝咖啡用了100年，從放下杯子到死亡只用了壹秒鐘。
時鐘悖論還是孿生悖論
相對論誕生後，有壹個很有趣也很難的問題——雙胞胎悖論。壹對雙胞胎A和B，A在地球上，B乘坐火箭進行星際旅行，很久以後返回地球。愛因斯坦從相對論中斷言，兩人經歷的時代不同，再次相遇時B會比A年輕。很多人都有疑惑，以為A看B鍛煉，B看A鍛煉。為什麽A不能比B小？因為地球可以近似為慣性系，而B要經歷加速減速的過程，而且是變加速度的參考系，真正討論起來很復雜。所以這個愛因斯坦已經討論清楚的問題，被很多人誤認為是矛盾的相對論。用時空圖和世界線的概念來討論這個問題會容易得多，但需要大量的數學知識和公式。在這裏，我們只是用語言來描述壹種最簡單的情況。但是，僅僅用語言是無法更詳細地解釋細節的。有興趣的話可以參考壹些相對論方面的書籍。我們的結論是，在任何參考系中，B都比A年輕。
為了簡化問題，我們只討論這種情況。過了壹會兒，火箭加速到亞光速。飛了壹會兒，短時間掉頭，短時間飛行，短時間減速與地球會合。這種處理的目的是忽略加速和減速造成的影響。在地球參考系中很容易討論到，火箭永遠是壹個運動的時鐘，再見面時B比A年輕。在火箭參考系中，地球是勻速運動過程中的運動時鐘，時間過程比火箭中慢，但最關鍵的地方是火箭自轉的過程。在掉頭的過程中，地球在極短的時間內從火箭後方的遠處越過半圈，到達火箭前方的遠處。這是壹個“超光速”的過程。只是這個超光速和相對論並不矛盾。這種超光速不能傳遞任何信息，也不是真正意義上的超光速。沒有這個掉頭過程，火箭和地球就不會相遇。因為不同的參考系沒有統壹的時間，所以無法比較他們的年齡，只有相遇才能比較。火箭調頭後，B無法直接接受A的消息，因為傳遞需要時間。B看到的實際過程是，在掉頭期間，地球的時間進度急劇加快。在B看來，A在現實中比B年輕，然後轉身的時候衰老的很快，回來的時候A衰老的比自己慢。再見面的時候，我們還是比a年輕，換句話說，相對論沒有邏輯矛盾。
狹義相對論概述
相對論要求物理定律在坐標變換下保持不變(洛倫茲變化)。經典電磁理論可以不加修改地納入相對論的框架，而牛頓力學只在伽利略變換下保持不變，原本簡單的形式在洛倫茲變換下變得極其復雜。所以經典力學需要修正，修正後的力學體系在洛侖茲變換下不變，這就是相對論力學。
狹義相對論建立後，對物理學起到了巨大的推動作用。並且深入到量子力學的範疇，成為研究高速粒子不可或缺的理論，取得了豐碩的成果。然而，在成功的背後，有兩個突出的原則問題。首先是慣性系帶來的困難。拋棄絕對時空後，慣性系成了壹個未定義的概念。我們可以說慣性系是建立慣性定律的參考系。慣性定律本質上是壹個物體在沒有外力的情況下保持靜止或勻速直線運動的狀態。然而，“不受外力”是什麽意思呢？只能說不受外力是指物體在慣性系中可以靜止或勻速直線運動。這樣，慣性系的定義就陷入了邏輯循環，這樣的定義是沒有用的。我們總能找到非常相似的慣性系，但宇宙中並不存在真正的慣性系。整個理論就像在沙灘上建築。二是重力造成的困難。萬有引力定律與絕對時空密切相關，必須修正。但是，任何想把它改變成洛倫茲變換下不變的情況的嘗試都失敗了，不能把萬有引力納入狹義相對論的框架。當時物理世界只發現了引力和電磁力兩種力，其中壹種出來搗亂，情況肯定不盡如人意。
愛因斯坦只用了幾個星期就建立了狹義相對論，而建立廣義相對論解決這兩個困難卻用了十年。為了解決第壹個問題，愛因斯坦幹脆取消了慣性系在理論上的特殊地位，將相對論原理推廣到非慣性系。因此，第壹個問題轉化為非慣性系的時空結構問題。在非慣性系中遇到的第壹個障礙是慣性力。經過對慣性力的深入研究，提出了著名的相等原理，發現參考系問題可能與引力問題壹起解決。幾經波折，愛因斯坦終於建立了完整的廣義相對論。廣義相對論讓所有物理學家驚訝，引力遠比想象的復雜。到目前為止，愛因斯坦的場方程只得到幾個確定的解。它美麗的數學形式至今讓物理學家們驚嘆不已。在廣義相對論取得巨大成就的同時，由哥本哈根學派創立和發展的量子力學也取得了重大突破。然而，物理學家很快發現這兩個理論是不相容的，至少其中壹個需要修改。這導致了著名的辯論:愛因斯坦VS哥本哈根學派。爭論到現在還沒有停止，但是越來越多的物理學家更傾向於量子論。愛因斯坦花了他生命的最後30年試圖解決這個問題，但他壹無所獲。但是，他的工作為物理學家指明了方向:建立壹個包含四種力的超統壹理論。目前學術界公認的最有希望的候選者是超弦理論和超膜理論。
廣義相對論概述
相對論壹出，人們看到了以下結論:四維彎曲時空、有限無邊宇宙、引力波、引力透鏡、大爆炸宇宙學、21世紀的主旋律——黑洞等等。這壹切來得太突然，讓人覺得相對論很玄妙。所以在相對論問世的最初幾年，有人揚言“世界上只有十二個人懂相對論”。甚至有人說“世界上只有兩個半人懂相對論”。更有甚者將相對論與“靈學”、“唯心論”相提並論。其實相對論並不神秘，它是最腳踏實地的理論，是經過千萬次檢驗的真理，並不是高不可攀。
相對論應用的幾何不是普通的歐幾裏得幾何，而是黎曼幾何。相信很多人都知道非歐幾何，非歐幾何可以分為羅氏幾何和黎曼幾何。黎曼從更高的角度統壹了三種幾何，稱為黎曼幾何。非歐幾何有很多奇怪的結論。三角形內角之和不是180度，圓周率不是3.14。所以剛提出來的時候就被嘲諷，認為是最沒用的理論。直到在球面幾何中發現了它的應用，才受到重視。
如果空間沒有物質，時空就是平的，那麽歐幾裏德幾何就夠了。比如在狹義相對論中的應用就是四維偽歐氏空間。因為時間坐標前面有壹個虛數單位I，所以加了壹個偽字。當空間存在物質時，物質與時空相互作用使時空彎曲，這就意味著使用非歐幾何。
相對論預言了引力波的存在，發現引力場和引力波都以光速傳播，否定了萬有引力定律的超距效應。當光來自恒星，遇到大質量天體，會再次匯聚，也就是我們可以觀測到被天體遮擋的恒星。壹般來說，妳看到的是壹個環，叫做愛因斯坦環。愛因斯坦將場方程應用於宇宙時，發現宇宙並不穩定，它要麽膨脹，要麽收縮。當時的宇宙學認為宇宙是無限的，靜止的，恒星是無限的。於是他毫不猶豫地修改了場方程，加入了宇宙項，得到了穩定解，提出了有限無限宇宙模型。不久哈勃發現了著名的哈勃定律，提出了宇宙膨脹理論。愛因斯坦為此後悔，放棄了宇宙項，稱之為壹生中最大的錯誤。在後來的研究中，物理學家驚訝地發現，宇宙不僅在膨脹，而且在爆炸。非常早期的宇宙分布在非常小的範圍內。宇宙學家需要研究粒子物理學的內容來提出更全面的宇宙演化模型，粒子物理學家需要宇宙學家的觀測和理論來豐富和發展粒子物理學。這樣，物理學中最活躍的兩個分支——粒子物理學和宇宙學，就這樣相互結合起來了。就像高中物理序言裏說的，就像壹條奇怪的蟒蛇咬著自己的尾巴。值得壹提的是，雖然愛因斯坦的靜態宇宙已經被拋棄，但它的有限無邊宇宙模型是未來宇宙的三種可能命運之壹，也是最有希望的。近年來，宇宙項被重新估值。黑洞的問題將在以後的文章中討論。黑洞和大爆炸雖然是相對論的預言，但其內容已經超出了相對論的限制，與量子力學和熱力學緊密結合。希望未來的理論能在這裏找到突破口。
廣義相對論的基本原理
由於慣性系無法定義，愛因斯坦將相對論原理推廣到非慣性系，提出了廣義相對論第壹原理:廣義相對論原理。它的內容是，在描述自然規律時，所有的參照系都是等價的。這和狹義的相對性原理有很大不同。在不同的參考系中，所有的物理定律是完全等價的，在描述上沒有區別。但在所有參考系中，這是不可能的。只能說不同的參照系同樣能有效地描述自然規律。這就要求我們找到更好的描述方法來滿足這壹要求。通過狹義相對論，很容易證明旋轉圓盤的圓周率大於3。14。所以壹般的參照系應該用黎曼幾何來描述。第二個原理是光速不變的原理:光速在任何參考系中都是不變的。相當於光的時空點固定在四維時空。時空是直的，光在三維空間中以光速直線運動。時空彎曲時，光在三維空間中沿著彎曲的空間運動。可以說引力可以使光發生偏轉，但不能加速光子。第三個原則是最著名的對等原則。有兩種質量。慣性質量是用來衡量物體的慣性，最初是由牛頓第二定律定義的。引力質量是對物體引力電荷的度量，最初是由牛頓萬有引力定律定義的。這是兩條不相關的法律。慣性質量不等於電荷，甚至到目前為止都不重要。那麽慣性質量和引力質量(引力電荷)在牛頓力學中應該沒有任何關系。然而，它們之間的區別是無法通過最精密的實驗發現的。慣性質量和引力質量嚴格成正比(選擇適當的系數可以嚴格相等)。廣義相對論把慣性質量和引力質量作為等效原理的內容。慣性質量與慣性力有關，引力質量與引力有關。這樣，非慣性系與引力的關系也就建立起來了。那麽在引力場中的任何壹點都可以引入壹個非常小的自由落體參考系。因為慣性質量等於引力質量，所以在這個參考系中既不是慣性也不是引力，狹義相對論的所有理論都可以用。當初始條件相同時，質量相等、電荷不同的粒子在同壹電場中的軌道不同，但所有粒子在同壹引力場中的軌道都只有壹個。等效原理讓愛因斯坦認識到，引力場很可能不是時空的外場，而是幾何場，是時空本身的壹種屬性。由於物質的存在，原本平坦的時空變成了彎曲的黎曼時空。廣義相對論建立之初，有第四個原理，慣性定律:不受力(重力除外，因為重力不是真力)的物體做慣性運動。在黎曼時空中，它是沿著測地線運動的。測地線是直線的概括，是兩點之間最短(或最長)的直線，是唯壹的。例如，球體的測地線是由穿過球體中心和球體的平面切割的大圓的弧。
但廣義相對論的場方程建立後，可以從場方程推導出這個定律，於是慣性定律就變成了慣性定律。值得壹提的是，伽利略曾經認為勻速圓周運動就是慣性運動，勻速直線運動總會閉合成壹個圓。這被提出來解釋行星運動。自然，他受到了牛頓力學的批評，但相對論使它復活了。行星做的是慣性運動，但不是標準的勻速圓周運動。
螞蟻和蜜蜂的幾何學
想象壹只生活在二維平面上的扁平螞蟻。因為是二維生物，所以沒有三維感。如果螞蟻生活在壹個大平面上，它們會從實踐中創造歐幾裏得幾何。如果它生活在壹個球體上，它將創建壹個三角形和大於180度且pi小於3.14的球體幾何。但是，如果螞蟻生活在壹個大的球體上，當它的“科學”還不夠發達，活動範圍還不夠大的時候，要找到球體的曲率是不夠的，而它生活的小球體又類似於壹個平面，所以它會先創造歐幾裏得幾何。當它的“科技”發展起來，會發現三角和大於180度，圓周率小於3.14等“實驗事實”。如果螞蟻足夠聰明，他們會得出結論，他們的宇宙是壹個彎曲的二維空間。當他們把自己的“宇宙”測量了個遍，就會得出結論，他們的宇宙是封閉的(轉了壹圈又回到原處)，是有限的。而且因為“空間”(曲面)的曲率(曲率)處處相同，所以他們會把宇宙和自己宇宙中的圓做比較，認為宇宙是壹樣的。因為它沒有第三次元感，所以無法想象他們的宇宙是如何彎曲成壹個球的，更無法想象他們的“無邊無際”的宇宙是如何在壹個三維的扁平空間中變成壹個面積有限的球體。他們很難回答“宇宙之外是什麽？”。因為他們的宇宙是壹個有限無限的封閉二維空間，很難形成“外”的概念。
壹只蜜蜂可以借助“先進技術”輕松描述螞蟻才能發現的抽象事實。因為蜜蜂是三維空間的生物，對三維空間中嵌入的二維曲面“壹目了然”，很容易形成球體的概念。螞蟻憑借自己的“科技”也得出了同樣的結論，但並不生動，也不嚴格數學化。
可見，並不是只有高維空間的生物才能發現低維空間的情況。聰明的螞蟻也能找到球體的曲率，最終建立球體的完美幾何，其理解深度並不比蜜蜂差多少。
黎曼幾何是壹個龐大的幾何公理體系，專門用來研究彎曲空間的各種性質。球面幾何只是其中很小的壹個分支。不僅可以用來研究球面、橢圓、雙曲面等二維曲面，還可以用來研究高維曲面空間。它是廣義相對論最重要的數學工具。在建立黎曼幾何時，黎曼預言真實宇宙可能是彎曲的，物質的存在是空間彎曲的原因。這其實是廣義相對論的核心內容。只是當時的黎曼沒有愛因斯坦那麽豐富的物理知識，所以無法建立廣義相對論。
廣義相對論的實驗驗證
愛因斯坦在建立廣義相對論時，提出了三個實驗，很快得到了驗證:(1)引力紅移(2)光的偏轉(3)水星近日點進動。直到最近增加了第四種驗證:(4)雷達回波的時間延遲。
(1)引力紅移:廣義相對論證明，在引力勢低的地方，固有時間流逝緩慢。也就是說，離天體越近，時間越慢。這樣，天體表面原子發出的光的周期變長，相應的頻率因為光速不變而變小，向光譜中的紅光方向移動，稱為引力紅移。宇宙中有許多致密的天體。我們可以測量它們發出的光的頻率，並將其與地球上相應原子發出的光進行比較。發現紅移與相對論語言壹致。20世紀60年代初，人們利用地球引力場中γ射線的無反沖振動吸收效應(穆斯堡爾效應)測量了光的垂直傳播。5M，結果與相對論的預言壹致。
(2)光的偏轉:根據光的波動，光在引力場中應該不會發生偏轉。根據半經典的“量子理論加牛頓引力理論”的混合積，通過普朗克公式E=hr和質能公式E = MC ^ 2計算出光子的質量，然後通過牛頓萬有引力定律得到太陽附近光線的偏轉角。87秒，廣義相對論計算的偏轉角是1。75秒，上面角度的兩倍。1919，第壹次世界大戰剛結束，英國科學家愛丁頓派出兩個探險隊，利用日食的機會進行觀測，觀測結果約為1。7秒，剛好在相對論實驗的誤差範圍內。誤差的主要原因是太陽大氣對光線的偏轉。最近可以用射電望遠鏡觀測類星體波在太陽引力場中的偏轉，不用等日食這種難得的機會。精確的測量進壹步證實了相對論的結論。
(3)水星近日點歲差:天文觀測記錄水星近日點每百年運動5600秒。人們考慮了各種因素，按照牛頓的理論可以解釋的只有5557秒，只剩下43秒了。廣義相對論的計算結果偏離了萬有引力定律(平方反比定律)，正好讓水星的近日點每100年移動43秒。
(4)雷達回波實驗:從地球向行星發射雷達信號，接收行星反射的信號，測量信號往返時間，檢查空間是否彎曲(檢查三角形內角之和)。20世紀60年代，美國物理學家不顧重重困難做了這個實驗，結果與相對論的預言壹致。
僅僅依靠這些實驗並不能說明相對論的正確性，只能說明它比牛頓的引力理論更準確，因為它包含了牛頓的引力理論，可以解釋牛頓理論解釋不了的現象。但是，不能保證這是最好的理論，也不能保證相對論在時空極度彎曲的區域(比如黑洞)成立。所以廣義相對論還面臨著考驗。相對論
相對論是關於時空和引力的基礎理論，主要由愛因斯坦創立，分為狹義相對論(狹義相對論)和廣義相對論(廣義相對論)。相對論的基本假設是光速不變原理、相對性原理和等效原理。相對論和量子力學是現代物理學的兩大基本支柱。奠定了經典物理學基礎的經典力學不適合高速運動的物體和微觀條件下的物體。相對論解決了高速運動的問題；量子力學解決的是微觀亞原子條件下的問題。相對論極大地改變了宇宙和自然的常識概念，提出了同時相對論、四維時空、彎曲空間等新概念。
相對論的提出過程
除了量子理論，愛因斯坦在1905年發表的壹篇題為《論運動物體的電動力學》的文章引發了20世紀物理學的又壹次革命。本文研究的是物體運動對光學現象的影響，這是當時經典物理學面臨的又壹難題。
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，到19世紀末，麥克斯韋的理論被實驗完全證實。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”的特殊物質，電磁波就是以太振動的傳播。但是人們發現這是壹個充滿矛盾的理論。如果我們認為地球是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壹定是不同的，但是實驗否定了這個結論。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。
1887年，邁克爾遜和莫雷利用光的幹涉現象進行了非常精確的測量，但他們仍然沒有發現地球相對於以太的任何運動。在這方面，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的方向收縮。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空間和絕對時間的概念，壹切困難都可以解決，根本不需要以太。
愛因斯坦提出了兩個基本原理，作為討論運動物體光學現象的基礎。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，如果要承認這兩個原理並不沖突，就必須重新分析時間和空間的物理概念。
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。距離也有相對性。