相对性原理和协变性要求是物理学中的重要概念，它们描述了物理定律在不同参考系中保持不变的特性。本文将详细阐述这两个概念的含义、它们在物理学中的地位以及历史发展。
相对性原理是物理学中一个基本的概念，它指的是物理定律在所有惯性参考系中都是相同的。这种表述最早可以追溯到伽利略和牛顿的力学原理，即在没有外力作用的情况下，物体保持静止或匀速直线运动的状态。伽利略的相对性原理仅适用于经典力学范畴内的运动，并假设光速是无限的。
狭义相对论中的相对性原理是由爱因斯坦提出的，它拓展了伽利略相对性原理的适用范围，适用于所有物理现象，包括电磁学，并且考虑了光速有限的情况。狭义相对性原理指出，在所有惯性参考系中，物理定律的形式是相同的，特别是电磁场方程和光速不变原理。狭义相对论的核心是洛伦兹变换，这是一种变换关系，描述了两个相对运动的惯性参考系之间的时空关系，同时保证了物理定律的协变性。
协变性要求与相对性原理紧密相关。协变性是指物理方程在坐标变换（如空间和时间坐标的变换）之后仍然保持其形式不变的能力。对于任何正确的物理方程来说，如果它在某个参考系下有效，那么在经过适当的坐标变换后，它应该在新的参考系中同样有效。
在物理学中，服从相对性原理意味着满足了协变性的要求。协变性原理是相对性原理的一个方面，它强调物理定律在坐标变换下的形式不变性。对于狭义相对论而言，这意味着物理定律对于洛伦兹变换是协变的；对于经典力学，这意味着物理定律对于伽利略变换是协变的。
在狭义相对论和经典力学中，存在两种不同的协变性要求：伽利略协变性和洛伦兹协变性。伽利略协变性适用于低速情况，它保证了经典力学定律在不同的惯性参考系之间变换时保持不变。洛伦兹协变性适用于接近光速的高速情况，它保证了狭义相对论中的物理定律在洛伦兹变换下保持不变。
机械能守恒定律是一个普遍接受的物理定律，但它只满足伽利略协变性，而不满足洛伦兹协变性。这意味着它只适用于经典力学的低速情形，而不适用于狭义相对论描述的高速情形。由于机械能守恒定律并不遵循洛伦兹变换，它不是狭义相对论框架下的严格普遍定律。
历史上的争论经常围绕着相对性原理的经典表述和协变性要求之间的关系。特别是在功能原理的讨论中，争议的焦点在于机械能守恒定律是否应该被认为是狭义相对论中的一种协变性要求。结论表明，机械能守恒定律满足伽利略协变性但不满足洛伦兹协变性，因此它不是一个适用于高速物理现象的普遍定律。
相对性原理和协变性要求都是物理学中描述物理现象不变性的核心原则。相对性原理要求物理定律在所有惯性参考系中保持不变，而协变性要求则是指这些定律在适当的变换（如洛伦兹变换或伽利略变换）下保持其形式不变。在经典力学和狭义相对论中，这些概念分别表现为伽利略协变性和洛伦兹协变性。理解这些概念对于掌握现代物理学的基本理论至关重要。
