20世纪降临之际，著名热力学家开尔文在英国皇家学会迎接新世纪的庆祝会上致辞说：经典物理学的大厦已经建成，未来的物理学家们只需要做些修修补补的工作就行了。他的讲话，显示了当时物理学界对自己在力学、热学、电磁学、光学诸领域取得的成就的自豪感和信心。然而，开尔文不愧为杰出的物理学家，它同时指出明朗的天空中还有两朵乌云，一朵与黑体辐射碰到的困难有关，另一朵与“以太”（光行差）理论碰到的困难有关。

19世纪末页，麦克斯韦把库伦、安培、法拉第等人长期积累的实验定律总结成简明的方程组，即麦克斯韦方程组。该方程组表明电磁场是以波的形式真空中运动，运动速度为一个常数c。也就是说，电磁波在真空中的传播速度是恒定的。进一步的研究表明，光波就是电磁波，c就是光速。

自从1801年托马斯.杨用波理论解释光的干涉条纹以后，光的波动说终于战胜微粒说被广大物理界所接受。但是，既然是波，就应该有一个载体。水波的载体是水，声波的载体是空气，水波是水的波动，声波是空气的震动。那么光的载体是什么呢？光是什么物质的震动呢？人们想到了亚里士多德的以太理论。亚里士多德认为“月上世界”充满了轻而透明的以太。于是，人们发展了这一理论，认为以太也能渗入到“月下世界”，以太就是无孔不入的，充满全宇宙。光波就是以太的弹性振动。光波既然是电磁波，以太就应看作电磁场的载体，电磁波就是以太的弹性振动波。麦克斯韦方程组表明，光波在以太中的传播速度是一个常数。

按照伽利略的相对性原理，物理规律在一切惯性系中都相同。那么麦克斯韦电磁理论应该在任何惯性系中都成立，也就是说，光在任何惯性系中的速度都应是同一个值c。但是，惯性系之间可以有相对速度v。牛顿把惯性系定义为相对于绝对空间静止或做匀速直线运动的参考系。而未对它们之间的相对速度做任何限制。如果在惯性系S中测得光速为c那么在另一个相对于S以匀速v运动的惯性系S测量，这束光的速度还会是c吗？

如上图所示，设S系与S系中的时空坐标分别为（x，y，z，t）和（x，y，z，t），其中x轴与x重合，y和z分别和 y和z平行，S系相对S系沿x轴方向以匀速v运动。把钟调到t=0和t=0，且这时二系原点重合，即x=x =0，按照经典理论，它们之间的坐标以伽利略变换相联系：x =x-vt、y=y、z =z、t= t。从中我们可以推出二系中速度的变换公式

v=dx/dt=dx/dt-v=v-v （1）

假定以太相对于S系静止，那么麦克斯韦方程组在S系中成立。设有一束沿x轴正向传播的广，在该系中测得光速为c，即v=c，从公式（1）可知，在S中这束光的速度应该是c= v= v-v=c-v。如果这束光在S系中沿着x轴逆向传播，那么v=-c。在S系中次数光的速度应该是

c= v= v-v=-c-v= -（c+v）

我们看到，在相对以太静止的S系中，光速是均匀各向同性的，恒为c，麦克斯韦电磁理论成立。但是，在相对于S系（即相对于以太）运动的S中，光速不再是c，也不再是各向同性的。c将便成为c（c，v），c与惯性系相对于以太的速度v有关，还和v和c的夹角有关。麦克斯韦电磁规律在S中将有变化。这就是说，麦克斯韦电磁规律在不同的惯性系中不一样，相对性原理不再成立。或者说电磁规律不满足相对性原理。麦克斯韦方程组只对“以太静止”系成立。自然的想法是，以太相对于绝对空间静止，以太静止系即绝对空间。这就是说，麦克斯韦电磁理论只在相对绝对空间静止的参考系中才成立。

如果我们坚持相对性原理，认为电磁规律与力学规律一样，都应遵守相对性原理，那么我们必须修改麦克斯韦方程组，或者放弃伽利略变换。

当时人们普遍认为伽利略变换是相对性原理的数学体现，坚持相对性原理，就应该坚持伽利略变换，坚持前者而放弃后者是难以相像的。

然而，麦克斯韦电磁理论是被大量实验事实验证过的，修改麦克斯韦理论也是不可能的。

以当时电磁学权威洛伦兹为代表的一批理学家，主张放弃相对性原理，保留麦克斯韦理论。但认为麦克斯韦理论只在相对以太静止的惯性系中成立，即只在相对绝对空间静止的参考系中成立。

电磁理论与相对性原理的矛盾也在光学实验和光速测量中表现出来，既然光是以太波动，以太相对于绝对空间静止，那么以太会不会被介质带动呢？例如，地球绕太阳转动，它不可能相对于绝对空间静止，那么，运动的地球会否带动周围的以太呢？我们知道，水中的运动物体有时会带动周围的水运动，空气中的运动物体也会在一定程度上带动空气运动，所以，在以太中运动的地球，似乎也有可能带动周围的以太。但是，天文观测中的光行差现象表明，地球是在以太中穿行的，地球似乎没有带动以太。光行差现象是天文界早就知道的，已被大量的观测精确证实。因此，应该认为地球不带动周围的以太。于是，有人想测量地球相对于以太的运动速度，这一速度也就是地球相对于绝对空间的速度。测出这一速度，不仅能证实绝对空间的存在，而且能具体描述地球在绝对空间中的运动。迈克尔逊等人做了大量精密的干涉实验来测量“以太漂移”速度，即地球相对于以太的速度，但是，测量的结果在误差范围内是零。这表明，地球相对于以太是静止的。原因只可能有两个，或者地球相对于绝对空间（以太）静止，或者是地球带动了自己周围的以太一起运动。但是，后者与光行差试验矛盾，前者则等于是对哥白尼学说的反动，无异于承认地心说，承认太阳和诸星围绕地球传动。

洛伦兹认为，哥白尼学说是对的，地球不可能是宇宙的中心，不可能相对于绝对空间（以太）静止。光行差实验的结论也是对的，地球相对于以太运动，在以太中穿行。那么，迈克尔逊的干涉实验为什么测不出“以太漂移”速度呢？他认为，这是因为相对绝对空间运动的物体，会在运动方向上有一个收缩。例如，一把长L₀尺子，如果沿相对以太运动的方向放置，那么，该尺会发生收缩

长度缩短为L₀。式中c是以太中的光速，v是尺相对以太（绝对空间）的运动速度。洛伦兹认为，迈克尔逊实验中，干涉仪器的两个镜筒，一个沿地球运动方向，一个沿与地球运动相垂直的方向，前一个镜筒会发生收缩，而后一个不会，正是这一收缩改变了光程的长度，抵消了以太漂移的影响，使得仪器转90⁰后，干涉条纹不产生移动。因此，迈克尔逊实验没有测出，也不可能测出地球相对以太（绝对空间）的运动速度。这就解释了迈克尔逊实验引出的疑难。

上式所示的收缩，称为洛伦兹收缩。为了导出这一收缩，洛伦兹把伽利略变换修改为洛伦兹变换，即

y=y

z =z

式中c为光速，v为S系相对于S系的速度。此式不仅在数学形式上不同于伽利略变换，而且在物理意义上也与伽利略变换不同。洛伦兹变换中的S系（x，y，z，t）是绝对参考系（以太参考系），即相对于绝对空间（以太）静止的参考系，而S系是相对于绝对空间以匀速v运动的惯性系，所以洛伦兹变换表示的是一般惯性系与绝对参考系之间的变换。而伽利略变换所表示的是任意两个惯性系之间的变换，S系与S系都可以不是相对于绝对空间静止的惯性系，v是两个惯性系间的相对速度，不是绝对速度。

从洛伦兹变换可得

在惯性系S中静止的，长度Δx=L₀的尺，在S系中同时测量其两端（即S系中的Δt=t₂-t₁=0， t₁与 t₂分别为测量尺的前后两端的时刻，由于同时测尺的两端，所以t₂=t₁），得到长度

洛伦兹认为，相对性原理不对，电磁规律并非在任何惯性系中都相同，麦克斯韦电磁理论只对绝对参考系成立。他建议用洛伦兹变换替代伽利略变换，并认为任何相对于绝对空间运动的物体都会在运动方向上发生收缩。他还认为，洛伦兹收缩是一种物理效应，这种收缩导致原子发生形变，会引起原子内部产生应力并改变电荷分布。正当他们对此进行研究时，爱因斯坦发表了相对论。

爱因斯坦不知道洛伦兹的工作，也没有注意迈克尔逊实验导致的疑难。他考虑的是斐索实验。这是一个研究流动的水是否带动以太的实验。结论是以太被水部分地带动，但没有完全带动。这一结果也与光行差现象矛盾，光行差现象表明介质（地球）一点也不带动以太。在仔细考虑上述试验矛盾以及麦克斯韦电磁理论与伽利略变换的矛盾之后，爱因斯坦认识到，把伽利略变换看作相对性原理的数学体现是没有根据的。相对性原理与伽利略变换并不等价。他认为下面三者存在矛盾，不可能都正确。

（1）         麦克斯韦电磁理论。

（2）         相对性原理

（3）         伽利略变换

爱因斯坦深受奥地利物理学家马赫的影响。马赫不相信牛顿的绝对时空观，他勇敢地从哲学的角度批判牛顿的观点，爱因斯坦十分崇拜马赫，深信他的观点，认为一切运动度是相对的，根本不存在什么绝对空间。所以，爱因斯坦认为相对性原理必须坚持。另外，麦克斯韦电磁理论是总结大量试验得出的结果，有坚实的实验基础，也不应该怀疑。只有伽利略变换，貌似合理，其实并无可靠的实验依据。所以，爱因斯坦放弃了伽利略变换。从光速不变原理（即麦克斯韦电磁理论）和相对性原理出发，他独立导出了与洛伦兹变换完全相同的变换。但爱因斯坦得出的是任意两个惯性系之间的变换，虽然数学形式上与洛伦兹变换完全相同，但物理解释却与洛伦兹大相径庭。爱因斯坦认为，相对性原理成立，洛伦兹转换是任意两个惯性系之间的变换，v是两个惯性系之间的相对速度，不是相对于绝对空间的绝对速度。从这个变换，爱因斯坦也得出了洛伦兹收缩表达式。但他认为，任何两个相对以速度v运动的惯性系，都会认为静止于对方系中的尺收缩了。但这种缩短不是实质性的缩短，而是一种时空效应。

爱因斯坦把洛伦兹变换作为相对论理论的核心。但由于洛伦兹给出这一变换的表达式比爱因斯坦早，所以后来在相对论中仍称为洛伦兹变换与洛伦兹收缩。洛伦兹虽然最早得出了变换表达式，但他对该式的理解是错误的。他在相当长一段时间内拒绝接受爱因斯坦的相对论，坚持认为洛伦兹变换是一种绝对变换，坚持不同意相对性原理，不同意爱因斯坦对洛伦兹变换的解释，不同意爱因斯坦的相对论。

摘自赵峥《黑洞与弯曲的时空》山西科技出版社