張元仲

前言
第一版序

第1章 狹義相對論基礎 1
1.1 引言 1
1.2 單程光速與雙程光速的關係 4
1.3 同時性定義和慣性系定義 5
1.3.1 牛頓同時性及伽利略變換 6
1.3.2 愛因斯坦同時性定義及愛因斯坦慣性系 8
1.3.3 其他類型的同時性定義及慣性系定義 9
1.4 愛因斯坦狹義相對論 10
1.4.1 狹義相對性原理 10
1.4.2 光速不變原理 10
1.4.3 狹義相對論的洛倫茲變換 11
1.4.4 龐加萊的光速不變性與洛倫茲的洛倫茲變換 16
1.5 四維閔可夫斯基時空 18
1.5.1 閔可夫斯基四維平直時空的基本內容 18
1.5.2 狹義相對論是近代物理學的一大支柱 25
1.6 狹義相對論的主要結論 26
1.6.1 無窮小洛倫茲變換 27
1.6.2 同時性的相對性 29
1.6.3 因果律問題 29
1.6.4 時間膨脹（運動時鐘變慢） 30
1.6.5 時鐘佯謬（或孿生子佯謬）問題 31
1.6.6 光行差與多普勒頻移效應 33
1.6.7 二階多普勒效應來源於時間膨脹 36
1.6.8 長度收縮 38
1.6.9 尺縮佯謬問題 38
1.6.10 愛因斯坦速度相加定律 39
1.6.11 加速度變換定律 42
1.6.12 質速關係和質能關係 43
1.6.13 品質、動量、能量和力的變換 46
1.6.14 亞光速世界、光速世界、超光速世界和極限速度 48
1.6.15 托馬斯進動 49
1.6.16 狹義相對論實驗的主要類型 55
參考文獻 56

第2章 雙程光速不變的狹義相對論 59
2.1 滿足雙程光速不變原理的光速運算式 59
2.2 愛德瓦茲同時性及其慣性系定義 62
2.3 愛因斯坦同時性與愛德瓦茲同時性之間的關係 63
2.4 雙程（回路）光速不變的愛德瓦茲變換 64
2.4.1 愛德瓦茲變換 64
2.4.2 愛德瓦茲變換與洛倫茲變換之間的關係 65
2.5 愛德瓦茲變換與物理實驗 67
2.5.1 同時性的相對性和長度收縮 67
2.5.2 愛德瓦茲時間膨脹效應 69
2.5.3 愛德瓦茲速度相加公式 70
2.5.4 速度的互易性問題 71
2.5.5 愛德瓦茲光行差與多普勒頻移 72
參考文獻 75

第3章 狹義相對論的檢驗理論 77
3.1 雙程光速可變的座標變換——羅伯遜變換 77
3.1.1 羅伯遜慣性系中光速運算式 79
3.1.2 用新參數表達的羅伯遜變換 81
3.1.3 羅伯遜速度相加公式 82
3.1.4 羅伯遜時間膨脹效應 83
3.1.5 羅伯遜尺縮效應 84
3.1.6 羅伯遜變換的多普勒頻移效應 85
3.2 單程-雙程光速均可變的座標變換——曼蘇裡-塞塞爾座標變換 86
參考文獻 88

第4章 四類變換之間的比對 90
4.1 四類座標變換之間在數學形式上的關係 90
4.2 四類座標變換的物理效應之間的比對 92
4.2.1 時間膨脹效應的比對 92
4.2.2 羅伯遜變換的實驗檢驗 93
參考文獻 97

第5章 運動介質中的電磁現象 98
5.1 介質中的電磁場方程 99
5.2 電磁場的相對論變換關係和組成關係 100
5.3 電磁波在運動介質中的傳播 102
5.4 電磁波的反射和折射 104
參考文獻 107

第6章 普羅卡重電磁場 109
6.1 麥克斯韋電磁場方程的四維協變數形式 109
6.2 普羅卡方程 112
6.3 真空光速的色散效應 114
參考文獻 115

第7章 狹義相對性原理的實驗檢驗 116
參考文獻 117

第8章 光速不變原理的實驗檢驗 119
8.1 光速不變性實驗 120
8.1.1 閉合光路實驗 120
8.1.2 “單向”光路實驗 130
8.1.3 羅默實驗 135
8.2 運動光源實驗 138
8.2.1 天體光源和實驗室宏觀光源 138
8.2.2 運動介質實驗 143
8.2.3 高速微觀粒子的Y射線 148
8.3 小結 153
參考文獻 156

第9章 時間膨脹效應實驗 161
9.1 運動的時鐘變慢效應 161
9.1.1 羅類型實驗解釋 162
9.1.2 環球航行的原子鐘實驗 164
9.1.3 飛行介子的壽命增長 167
9.2 二階多普勒頻移效應 170
9.2.1 星載原子鐘實驗 171
9.2.2 氫的極隧射線實驗 173
9.2.3 原子核俘獲反應中的丫射線發射 177
9.2.4 基於穆斯堡爾效應的多普勒頻移實驗 179
9.2.5 運動原子對鐳射的飽和吸收效應 184
9.3 羅伯遜時間膨脹的檢驗 184
9.4 小結 186
參考文獻 189

第10章 緩慢運動物體的電磁感應實驗 193
10.1 單極感應 193
10.2 運動電介質的磁效應 195
10.3 威爾遜-威爾遜實驗 197
10.4 菲涅耳拖曳效應 198
10.4.1菲佐實驗和塞曼實驗 199
10.4.2 橫向“拖曳”實驗 204
10.4.3 環路萊塞實驗 205
10.5 光在平面鏡上的反射實驗 209
10.6 小結 210
參考文獻 211

第11章 相對論力學實驗 214
11.1 品質對速度的依賴關係 214
11.1.1 荷電粒子的磁偏轉 215
11.1.2 靜電磁偏轉法 216
11.1.3 迴旋加速器的運轉 221
11.1.4 其他實驗 223
11.1.5 測量飛行時間 224
11.1.6 彈性碰撞 225
11.1.7原子光譜的精細結構 228
11.1.8 小結 229
11.2 質能關係 229
參考文獻 234

第12章 光子靜品質上限 237
12.1 真空光速的色散效應 237
12.1.1 光速的測定 238
12.1.2 星光到達地球的時間差 238
12.2 對庫侖定律的檢驗 240
12.3 靜磁場方法 246
12.3.1 薛定諤外來場方法 247
12.3.2 地磁場隨高度的變化 250
12.3.3 偏心偶極子（“垂直電流”效應） 251
12.4 星際等離子體（磁流體力學）效應 252
12.4.1 磁流體力學波 253
12.4.2 星際磁場的耗散效應 255
12.4.3 星際等離子體的不穩定性問題 259
12.5 宇宙磁矢勢效應 260
12.6 光線偏折效應 263
12.7 其他方法 264
12.8 小結 265
參考文獻 267

第13章 托馬斯進動實驗 271
13.1 原子光譜的精細結構 271
13.2 電子的g-2因數實驗 273
參考文獻 277

附錄A 愛因斯坦建立狹義相對論的關鍵一步——同時性定義 278
附錄B 狹義相對論洛倫茲變換的推導及其他 288
附錄C 為什麼說狹義相對論是近代物理學的一大支柱 298
附錄D 狹義相對論的兩個基本假設一個都不能少 303