對任何運(yùn)動(dòng)的描述，都是相對于某個(gè)參考系而言的。

一個(gè)站在地上的人和另一個(gè)坐在一輛向前行駛的火車上的人，如果進(jìn)行測量的話，可能有些測量結(jié)果是不一樣的，這是因?yàn)樗麄冞x擇的參考系不同，一個(gè)是以地面為參考系，另一個(gè)以火車為參考系。

牛頓時(shí)代的科學(xué)家們認(rèn)為，某些參考系優(yōu)于另一些參考系。這是指哪些方面更優(yōu)越呢？比如說，在某些參考系中，時(shí)間均勻流逝、空間各向同性，描述運(yùn)動(dòng)的方程有著最簡單的形式，這樣的參考系被稱為慣性參考系。

從這個(gè)視角來看，托勒密的地心說是以地球作為慣性系，而哥白尼的日心說則認(rèn)為太陽是一個(gè)比地球更好的慣性參考系。

然而，兩者都仍然承認(rèn)存在一個(gè)絕對的、靜止的慣性參照系。布魯諾在這方面則更進(jìn)了一步，他不僅僅是宣傳日心說，而且發(fā)展了哥白尼的宇宙學(xué)說，他以天才的直覺，提出了宇宙無限的思想。布魯諾認(rèn)為地球和太陽都不是宇宙的中心，無限的宇宙根本沒有中心。

1609 年，一個(gè)荷蘭眼鏡工人發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡。意大利科學(xué)家伽利略?伽利雷（GalileoGalilei，1564—1 642）將望遠(yuǎn)鏡加以改造，用其巡視夜空、觀察日月星辰，發(fā)現(xiàn)了許多新結(jié)果。這些新結(jié)果啟發(fā)伽利略思考一些最基本的物理原理，著名的相對性原理便是他的成果之一。

伽利略的相對性原理是說物理定律在互為勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系中應(yīng)該具有相同的形式。

伽利略在他 1632 年出版的《關(guān)于兩個(gè)世界體系的對話》（DialogueConcerning the Two Chief World Systems ，簡稱《對話》）中的一段話描述了這個(gè)原理，其中的大意是：把你關(guān)在一條大船艙里，其中有幾只蒼蠅、蝴蝶、小飛蟲、金魚等，再掛上一個(gè)水瓶，讓水一滴一滴地滴下來。船停著不動(dòng)時(shí)，你留神觀察它們的運(yùn)動(dòng)：

小蟲自由飛行，魚兒擺尾游動(dòng)，水滴直線降落…… 你還可以用雙腳齊跳，無論你跳向哪個(gè)方向，跳過的距離都幾乎相等。然后，你再使船以任何速度前進(jìn)，只要運(yùn)動(dòng)是均勻速度的，沒有擺動(dòng)，你仍然躲在船艙里。

如果你感覺不到船在行駛的話，你也將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象都沒有絲毫變化，小蟲飛、魚兒游、水滴直落，四方跳過的距離相等……

你無法從任何一個(gè)現(xiàn)象來確定，船是在運(yùn)動(dòng)還是在停著不動(dòng)。即使船運(yùn)動(dòng)得相當(dāng)快，只要保持平穩(wěn)和勻速的話，情況也是如此。

伽利略描述的這種現(xiàn)象，中國古書《尚書緯?考靈曜》上也有類似的記載：

“地恒動(dòng)而人不知，譬如閉舟而行不覺舟之運(yùn)也。”中國古籍上的這段文字可追溯到魏晉時(shí)代，即公元 220—589 年，要早于伽利略 1000 多年，但沒有了后續(xù)拓展，伽利略卻由此而廣開思路，大膽提出相對性的假設(shè)：“物理定律在一切慣性參考系中具有相同的形式，任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能區(qū)分靜止的和作勻速運(yùn)動(dòng)的慣性參考系。”這個(gè)假設(shè)繼而發(fā)展成為經(jīng)典力學(xué)的基本原理，稱為“相對性原理”。

物理定律不應(yīng)該以參考系而改變，基于這點(diǎn)的相對性原理聽起來似乎不難理解。伽利略在《對話》一書中所描述的現(xiàn)象，也是我們每個(gè)人在坐火車或飛機(jī)旅行時(shí)，都曾經(jīng)有過的經(jīng)驗(yàn)。

伽利略的相對性原理中，時(shí)間仍然被認(rèn)為是絕對的，空間位置則根據(jù)所選取參考系的不同而不同。兩個(gè)在 x 方向以勻速 u 運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)參考系中，分別測量出來的時(shí)空坐標(biāo)（t、x、y 、z）和（'t 、x'、y'、z'）將有不同的數(shù)值，這兩套數(shù)值之間可以通過“伽利略變換”互相轉(zhuǎn)換。

從伽利略時(shí)代過了 270 多年之后，愛因斯坦登上了歷史舞臺(tái)。他又重新思考這條“相對性原理”。如前所述，當(dāng)時(shí)啟發(fā)愛因斯坦思考動(dòng)力的是來自于經(jīng)典物理宏偉大廈明朗天空背景下的一片烏云。

經(jīng)典物理的宏偉大廈主要由經(jīng)典力學(xué)和麥克斯韋電磁理論組成，兩者各自都已經(jīng)被大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)所證實(shí)，正確性似乎毋庸置疑，但兩者之間卻有那么一點(diǎn)矛盾之處。

如上所述，經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律滿足伽利略的相對性原理，在伽利略變換下保持不變，但經(jīng)典電磁理論的麥克斯韋方程在伽利略變換下卻并不具有這種不變性。也就是說，對經(jīng)典力學(xué)現(xiàn)象，所有相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性參考系都是等價(jià)的，但對電磁現(xiàn)象而言卻不是這樣，因?yàn)橄鄬π栽聿怀闪⒘恕Ｒ蚨鴮?jīng)典電磁理論來說，物理學(xué)家就只好假設(shè)存在一個(gè)特別的、絕對的慣性參考系，只有在這個(gè)特定的參考系中，麥克斯韋方程才能成立，這就是被稱之為“以太”的參考系。

以太被假設(shè)為“靜止不動(dòng)”，因此地球相對于這個(gè)不動(dòng)的慣性參考系的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該被觀測到，但物理學(xué)家們在這方面并未發(fā)現(xiàn)任何蛛絲馬跡……

之后，愛因斯坦將相對性原理從經(jīng)典力學(xué)推廣到經(jīng)典電磁學(xué)，建立了狹義相對論。再后來，又把相對性原理從慣性參考系推廣到非慣性參考系，從而建立了廣義相對論。

文源：《時(shí)空本質(zhì)：相對論的故事》

作者：張?zhí)烊?/p>

文中圖片源于網(wǎng)絡(luò)

版權(quán)歸原作者所有

編輯：張潤昕

本文來自微信公眾號：原點(diǎn)閱讀 （ID：tupydread），作者：張?zhí)烊?/p>

總結(jié)

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