有哪些有力的实验事实有力地证明了狭义相对论的正确性？

Question

这里喜欢谈相对论问题的人不少。为此提个问题：有哪些有力的实验事实有力地证明了狭义相对论的正确性？

不要拷贝来一大堆“什么叫相对论，相对论是什么”之类的东西。我不会去看的。针对问题进行针对性回答。要使用自己的语言。即使是拷贝来的东西，自己也要重新整理，至少简单整理。原样的拷贝粘贴，我连读都不会去读，更不用说是采纳了？
用自己的语言，除实验名称外，扼要叙述实验的思路。若总字数超出1千字以上，我不会去读，更不会采纳。

Answer 1

美国国家标准技术研究所和麻省理工学院的物理学家说，他们通过迄今最直接、最精确的实验证明了爱因斯坦狭义相对论中著名的质能公式。

质能公式（E＝MC2）指出，物质的总能量相当于其质量乘以光速的平方。它表明能量和质量可以互相转换，而光速是恒定不变的常数。这一公式是爱因斯坦1905年发表狭义相对论时提出的，被认为是狭义相对论的基础，也奠定了新的时空观。

此前，其他物理学家曾用多个间接实验证明了质能公式的正确性。但科学家认为，这些实验存在一定前提条件，可能引起对质能公式广泛适用性的质疑。美国科学家在12月22日出版的《自然》杂志上发表论文说，他们所采用的方法已能直接支持质能公式。

这一实验的原理是：按照质能公式，当一个原子核捕获新的中子时，它的质量就会变成原先原子核和中子质量之和、再减去这一过程消耗的中子结合能，中子结合能包括放射出的伽马射线能量以及原子核碰撞后的反冲。因此，只要分别测出原子核被中子轰击前后质量的变化以及轰击期间发出的能量，然后进行比较，就可以验证质能公式是否准确。

科学家选用了硅和硫原子来进行实验。国家标准技术研究所的科学家依据伽马射线在晶格中的散射角来测量其波长，波长就决定了伽马射线的能量。而麻省理工学院的科学家则用电磁阱“固定”住捕获中子前后的原子，并精确测定其质量。

他们的测量结果表明，质量和光速的平方的乘积（MC2）与能量（E）的差异，大约为千万分之四，足以表明质能公式的正确性。科学家在论文中称，这是“迄今为止对质能公式最精确的直接验证”，比此前的证明精度高了55倍。

大家都知道，意大利科学家伽利略和英国科学家牛顿是经典力学的创始人。
1642年12月25日牛顿生于林肯郡伍尔索普村的一个农民家庭．12岁他在格兰撒姆的公立学校读书时，学习成绩并不出众，只是爱好读书，对自然现象有强烈地好奇心。1661年，牛顿就读于剑桥大学的三一学院，成了一名优秀学生．1669年，年仅27岁，就担任了剑桥的数学教授．1672年当选为英国皇家学会会员．1687年牛顿发表了著名的《自然哲学的数学原理》，完成了具有历史意义的发现——运动三大定律，又讨论了万有引力和天体的运动。牛顿用他自已发明的微积分，成功地处理了引力理论中的双体问题和三体问题。可以说，经典力学在当时的历史条件下，对人类的进步和发展作出了重大贡献！
经典力学中有一个名词，叫做惯性系。它是指一切容许匀速直线运动定律成立的参考系。若要使力学定律成立，坐标系的运动状态不能任意，必须没有加速度（只是匀速运动），也没有转动（只是直线运动）。例如在太阳系中，对太阳而言地球并非作匀速直线运动，所以严格地说地球并不是惯性系。但我们在考虑地面上一些运动现象时，地面参考系仍可作为惯性系看待。
经典力学认为：力学定律、时间、长度、加速度、质量以及同时性等都是绝对的，只有物体运动的坐标和速度才是相对的。这就是牛顿的“绝对时空观”。但是，这种“绝对时空观”和不与高速运动相适应的缺陷直到19世纪末才逐渐暴露出来。1891年由于电子的发现，使科学家们第一次面对高速运动的微观粒子。这时，牛顿的经典力学就显得无能为力了。因此，经典力学只是一种仅适用于作低速运动的宏观物体的力学理论。
艾伯特•爱因斯坦于1879年3月14日在德国小城乌尔姆出生，他的父母都是犹太人。和牛顿一样，爱因斯坦年幼时也未显出智力超群，相反，到了4岁多还不会说话，家里人甚至担心他是个低能儿。1888年他9岁，进入了中学，学业也不突出，除了数学很好以外，其他功课都不怎么样。12岁时爱因斯坦放弃了对宗教的信仰，他发现周围有一个巨大的自然世界，它离开人类独立存在，就象一个永恒的谜。因此，少年时代的爱因斯坦就特别喜爱科学事业，希望掌握这个自然世界的奥秘。
1896年，爱因斯坦考进了苏黎世的联邦工业大学。大学期间，爱因斯坦迷上了物理学。他阅读了德国著名物理学家基尔霍夫、赫兹等人的著作，钻研了麦克斯韦的电磁理论和马赫的力学，并经常去理论物理学教授的家中请教。1900年，爱因斯坦大学毕业。1902年，在他的朋友格罗斯曼的帮助下，爱因斯坦才在伯尔尼的瑞士联邦专利局当上了一名普通的技术员。
1905年6月30日，德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》，在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，稍后（也是在1905年）接着发表了另一论文《物体的惯性同它所含能量有关吗？》。此外，1907年爱因斯坦又发表了一篇长文《关于相对性原理和由此得出的结论》。这三篇文章包含了狭义相对论的基本思想和主要内容，也是我们讨论的依据。
那么，爱因斯坦《狭义相对论》就竞与牛顿《经典力学》的基本思想有什么不同呢？爱因斯坦认为：宇宙中只有物理定律、光速两者是绝对的，其他（包括时间、长度、质量、同时性等）都是相对的。于是，长度、时间都随参考系的运动而改变，故空间、时间都是相对的，并且互相关联。这也正是“相对论”一词的由来。为什么又叫“狭义相对论”呢？这是因为这部分理论只适用于作相对匀速直线运动的惯性系统。
2、 对《狭义相对论》主要内容的回顾
爱因斯坦的《狭义相对论》可概括为10个主要方面，即1个变换、2个公设、3个公式、4个推论。下面就简略介绍一下这10个方面的主要内容：
（1）、1个变换就是洛伦兹变换，它与伽利略变换不同，伽利略变换认定不同参考系中时间是绝对的，速度（包括光速在内）是相对的。而洛伦兹变换则认定时间是相对的，光速是一个恒量。如果物体的运动速度远远小于光速时，那么洛伦兹变换就简化为伽利略变换了。
（2）、2个公设：第一个公设就是物理定律在一切惯性系统中都相同，也就是我们通常说的“狭义相对性原理”。这意味着在一切惯性系统中不但力学定律同样成立，电磁定律、光学定律、原子定律等物理定律也是同样成立的；第二个公设就是“光速不变性”公设：即真空中光速是一个常量，与观察者或光源的运动无关，与光的颜色无关。更明确地说，真空中光速c与光的频率、光源的运动、观察者的运动无关，而总是保持为恒定的数值（c=299792458m/s）。
（3）、3个公式就是速度合成公式、质量速度公式和质能关系式：
a、 速度合成公式：当某系统以速度v运动时，如系统中某物体又以速度u向同方向运动，则狭义相对论的合成速度w如下式表示。显然，只有当u<<c、v<<c时，该式才与牛顿力学一致：w=u+v 。

b、 质量速度公式：m为任何粒子或物体的动质量，mo 为其静质量，如果其运动速度v>c ，则m成为虚数。因此，爱因斯坦认为虚质量是无意义的，这也是狭义相对论说“不可能有超光速运动”的理由之一。

c、 质能关系式： E = mc² 1922年爱因斯坦曾对该式作了如下说明：由此可见质量和能量在本质上是类同的，它们只是同一事物的不同表达形式而已。物体的质量不是一个常数，它随其能量的改变而变化。
（4）、4个推论就是运动方向的长度缩短，运动的时钟变慢，光子静止质量为零，物质和信息不可能以超光速运动。
从以上回顾可以看出，《狭义相对论》主要内容集中体现在“1个变换、2个公设”之中，它们之间又紧密地联系在一起。至于“3个公式、4个推论”则是从以上三者派生出来的东西。
3、爱因斯坦《狭义相对论》中的主要问题及质疑
《狭义相对论》从提出至今已有101年的历史。目前由于《狭义相对论》无法园满解释许多现代物理学问题，中国、美国、德国的一些科学家正设计各种实验以重新检验《狭义相对论》的正确性。近十几年来，国际科学界的质疑主要集中在：“光速不变性”公设、“运动方向的长度缩短” 推论、“光子静止质量为零” 推论，以及“物质和信息不可能以超光速运动” 推论等四个方面。产生质疑的原因，归根结底还是实验的确证不足，而反证实验却不断增加。
（1）、关于对“光速不变性”公设的质疑：
光是一种电磁波，是一种在电磁场中传播的波动，电磁场中的波动应该有其特征速度，这一速度等于光速，就像静止的空气中的声波的速度是一确定值一样。又因为光速与源速无关，光速对于绝对坐标系而言是一个常数（这点实际上在麦克斯韦及洛仑兹的电磁理论中已得到了证明）。它可以体现出绝对坐标系的某些特征，所以光速有其不变性的一面。
另外，《狭义相对论》认为对一切观测者而言光速都是等同的，光速与接受者的速度是无关的。而我们则认为光速与接受者密切相关，即观测者的速度将直接影响接受者所测得的光速：与光同向运行的接受者测得的光速要变小，与光逆向运行的接受者测得的光速将要变大。例如对3K微波辐射及对射电星系的无线电波进行的观测均发现了在地球运动方向有明显的各项异性。这些天文学实验确切地证明了光速与接受者的速度相关。因此光速又是可变的。
总之，光速仍然扮演着一个重要而又特殊的角色。其重要性是指一些基本的概念需要由它来定义（如绝对坐标系等），其特殊性是指它是一个既变又不变的量等等。
（2）、对“光子静止质量为零” 推论的质疑：
“光子静止质量为零”实际上是《狭义相对论》第二个公设的推论，因为爱因斯坦认为：光在真空中相对一切惯性系都以不变速度c传播，就不会有光子的静止系，因此光子静质量必须为零。同时，按《狭义相对论》推论，光子将尺缩为零，光子是没有体积的质点。与此相仿，光子的钟将停滞不前，失去时间概念。这件事一直使科学家放心不下，为此进行了多项实验。在20世纪70年代，著名的实验物理学家丁肇中在汉堡的加速器上做光子和电子的实验时，他发现光子并不是没有静质量。当光子能量很高时，会迅速成为有一定寿命和质量的粒子，他给这种现象起名叫重光子。1998年日本人小柴昌俊公布的实验结果：中微子有静质量，其值约为10¯³³克，并因此获得2002年Nobel物理奖。我们知道，光子与中微子极为相似，这是很值得注意的。2003年2月28日出版的美国《物理学评论快报》刊登了中国华中科技大学物理系教授罗俊及其课题组在“用精密扭秤检验光子静止质量的上限”的课题研究中取得新成果。在任何情况下，光子的静止质量都不会超过10的负54次方千克，这一结果是之前已知的光子质量上限的1／20。或者说是一个电子质量的10的负24次幂。对此美国物理学家R 勒克评论说：“你决不能肯定地说什么东西绝对就是零”。
（3）、对“不可能有超光速”推论的质疑：
我们知道，1925年一批欧洲的物理学家创立了《量子力学》，尽管它描写的量子世界与人类的生活经验常常大相庭径，但81年来的科学史实证明，它绝非一种空洞而不切实际的理论，它已解决了许多科学技术发展中亟待解决的实际问题。因此说它是科学上极有成就的科学分支，完全具备现代科学理论的特征。
《狭义相对论》在本质上具有经典性、宏观性和局域性，而《量子力学》则表现为非经典性、微观性和非局域性，因此两者在根本上不具有一致性。这也正是爱因斯坦坚持不渝地反对《量子力学》的原因所在。《狭义相对论》不允许超光速状态，但《量子力学》的非局域性表示出现超光速是可能的。实际上，超光速问题正好表现出《狭义相对论》与《量子力学》有尖锐矛盾的证明。
近十几年来，许多科学家相继报告了非实体物质（电磁场、波动、光脉冲等等）有关超光速实验及其结果。例如，1992年美国伯克利加州大学以 R.Chiao为首小组所作的“光子赛跑”实验，得到光子速度1.7c(c是光速)；1992-1997年德国科隆大学G.Nimtz教授在微波测到的结果是4.7c和4.34c；2003年一季度北京广播学院由黄志洵教授、逯贵祯教授及研究生关健组成的课题组，进行了在无线电波频率上的实验，用模拟光子晶体的同轴系统获得了阻带中的超光速群速，数据分布在（1.5~2.4）c。目前的情况是，在各个不同的国家，都有经历背景、专业学科各式各样的专家学者，用理论或实验的方法研究超光速问题，得到了“超光速可能性”的肯定的结论。这绝不是偶然的现象。
总之，纵观爱因斯坦的一生和贡献，他不愧是一位伟大而出色的科学家。我们知道，在自然科学研究中“实践才是检验真理的准一标准”。目前很多实验表明：爱因斯坦的《狭义相对论》并不是绝对真理，它仅是一种基本正确、只适用于亚光速、有自身局限性的理论体系。《狭义相对论》在某种程度上仍是一种经典理论，需要根据新的情况、新的实验作出改进和发展。
参考文献
1、狭义相对论研究中的若干问题 北京广播学院 黄志洵教授
2、狭义相对论的理论发展和实验检验 北京广播学院 黄志洵教授
3、超光速研究的理论根据 北京广播学院 黄志洵教授

Answer 2

其实这些所谓的有力的实验事实也是有误差的，因为仪器、人、环境、温度等等诸多因素决定了数据不可能达到完美的无误，只是在尽可能剔除外界影响后能得到误差极小极小以致可以忽略不计

验证狭义相对论的动量—动能关系
（这个实验过程有很多图做说明，没法贴，有兴趣就看看吧，是通过同时测量高速运动的电子（速度接近光速）的动量和动能，验证狭义相对论的正确性。）
http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha5/s55.htm

验证质能公式－最精确的直接验证
（质量和光速的平方的乘积（MC 2）与能量（E）的差异，大约为千万分之四，足以表明质能公式的正确性。）
http://www.zjol.com.cn/gb/node2/node802/node803/node374566/node374572/userobject15ai5108354.html

另外，还有一些实验是很早就被认为可以完美验证狭义相对论中的部分公式了，我写在下面了，但是具体实验过程我就不写了，目前认可的应该就这么多吧

横向多普勒效应实验
高速运动粒子寿命的测定
携带原子钟的环球飞行实验

PS：我只是一个爱好者，不是专家，或许还有遗漏，不要怪我，水平有限，本人更感兴趣的是关于霍金理论的一切：）本回答被提问者采纳

Answer 3

粒子加速器是最好的证明狭义相对论就是
狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论，因此要弄清相对论的内容，要先对相对论的时空观有个大体了解。在数学上有各种多维空间，但目前为止，我们认识的物理世界只是四维，即三维空间加一维时间。现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思，只有数学意义，在此不做讨论。
四维时空是构成真实世界的最低维度，我们的世界恰好是四维，至于高维真实空间，至少现在我们还无法感知。一把尺子在三维空间里（不含时间）转动，其长度不变，但旋转它时，它的各坐标值均发生了变化，且坐标之间是有联系的。四维时空的意义就是时间是第四维坐标，它与空间坐标是有联系的，也就是说时空是统一的，不可分割的整体，它们是一种”此消彼长”的关系。
四维时空不仅限于此，由质能关系知，质量和能量实际是一回事，质量（或能量）并不是独立的，而是与运动状态相关的，比如速度越大，质量越大。在四维时空里，质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量，动量是描述物质运动的量，因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。在四维时空里，动量和能量实现了统一，称为能量动量四矢。另外在四维时空里还定义了四维速度，四维加速度，四维力，电磁场方程组的四维形式等。值得一提的是，电磁场方程组的四维形式更加完美，完全统一了电和磁，电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。四维时空的物理定律比三维定律要完美的多，这说明我们的世界的确是四维的。可以说至少它比牛顿力学要完美的多。至少由它的完美性，我们不能对它妄加怀疑。
相对论中，时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空，能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量。这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。在今后论及广义相对论时我们还会看到，时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系。
物质在相互作用中作永恒的运动，没有不运动的物质，也没有无物质的运动，由于物质是在相互联系，相互作用中运动的，因此，必须在物质的相互关系中描述运动，而不可能孤立的描述运动。也就是说，运动必须有一个参考物，这个参考物就是参考系。
伽利略曾经指出，运动的船与静止的船上的运动不可区分，也就是说，当你在封闭的船舱里，与外界完全隔绝，那么即使你拥有最发达的头脑，最先进的仪器，也无从感知你的船是匀速运动，还是静止。更无从感知速度的大小，因为没有参考。比如，我们不知道我们整个宇宙的整体运动状态，因为宇宙是封闭的。爱因斯坦将其引用，作为狭义相对论的第一个基本原理：狭义相对性原理。其内容是：惯性系之间完全等价，不可区分。
著名的麦克尔逊--莫雷实验彻底否定了光的以太学说，得出了光与参考系无关的结论。也就是说，无论你站在地上，还是站在飞奔的火车上，测得的光速都是一样的。这就是狭义相对论的第二个基本原理，光速不变原理。
由这两条基本原理可以直接推导出相对论的坐标变换式，速度变换式等所有的狭义相对论内容。比如速度变幻，与传统的法则相矛盾，但实践证明是正确的，比如一辆火车速度是10m/s，一个人在车上相对车的速度也是10m/s，地面上的人看到车上的人的速度不是20m/s，而是(20-10^(-15))m/s左右。在通常情况下，这种相对论效应完全可以忽略，但在接近光速时，这种效应明显增大，比如，火车速度是0。99倍光速，人的速度也是0。99倍光速，那么地面观测者的结论不是1。98倍光速，而是0。999949倍光速。车上的人看到后面的射来的光也没有变慢，对他来说也是光速。因此，从这个意义上说，光速是不可超越的，因为无论在那个参考系，光速都是不变的。速度变换已经被粒子物理学的无数实验证明，是无可挑剔的。正因为光的这一独特性质，因此被选为四维时空的唯一标尺。

Answer 4

广义相对论在1915年建立后，爱因斯坦就提出了可以从三个方面来检验其正确性，即所谓三大实验验证。这就是光线在太阳附近的偏折，水星近日点的进动以及光谱线在引力场中的频移，这些不久即为当时的实验观测所证实。以后又有人设计了雷达回波时间延迟实验，很快在更高精度上证实了广义相对论。60年代天文学上的一系列新发现：3K微波背景辐射、脉冲星、类星体、X射电源等新的天体物理观测都有力地支持了广义相对论，从而使人们对广义相对论的兴趣由冷转热。特别是应用广义相对论来研究天体物理和宇宙学，已成为物理学中的一个热门前沿。

Answer 5

To楼主：
在爱因斯坦看来，是广义相对论内在的简单性保证了它的“正确”性。从科学史上来看，精密的数理科学的进步模式确实有着这样的规律和特点：它们往往是运用了当时已有的最高深的数学知识而构建起来的一些精致的理论模型，它们的“正确”性很大程度上由它们内在的简单性和统一性所保证。虽然它们必然会给出可供检验的预言，譬如哥白尼曰心说预言了恒星周年视差，爱因斯坦广义相对论预言了光线弯曲，霍金的黑洞理论预言了霍金辐射，但不必等到这些预言被证实，那些理论就应该并可以被当做科学理论。 ：）

补充：
1.实验是把测量到的静止介子的衰变寿命，同实验测量到的高速运动介子的衰变寿命比较。发现运动介子的寿命比静止介子的寿命长了很多。洛伦兹变换的计算结果也和实验数据相同。

2.在1974年到1975年间，福马伦特和什拉梅克利用甚长基线干涉仪，观测了太阳对三个射电源的偏折，最后得到太阳边缘处射电源的微波被偏折1.761〃±0.016〃。终于天文学家以误差小于1％的精度证实了广义相对论的预言，只不过观测的不是看得见的光线而是看不见的微波。

3.还有其它证实来让更多的人“相信”广义相对论是“正确”的，但这种证实很大程度上只是起到了“说服”的作用....

Are you clear?

再补充，哈哈：
参看今年7月号的"Science&Via(新发现)"，美国科学家在10^-6的精度下承认了相对论的正确性(超出这个精度人家可不承认啊！)：-O