對任何運動的描述，都是相對于某個參考系而言的。

一個站在地上的人和另一個坐在一輛向前行駛的火車上的人，如果進行測量的話，可能有些測量結果是不一樣的，這是因為他們選擇的參考系不同，一個是以地面為參考系，另一個以火車為參考系。

牛頓時代的科學家們認為，某些參考系優于另一些參考系。這是指哪些方面更優越呢？比如說，在某些參考系中，時間均勻流逝、空間各向同性，描述運動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為太陽是一個比地球更好的慣性參考系。

然而，兩者都仍然承認存在一個絕對的、靜止的慣性參照系。布魯諾在這方面則更進了一步，他不僅僅是宣傳日心說，而且發展了哥白尼的宇宙學說，他以天才的直覺，提出了宇宙無限的思想。布魯諾認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，一個荷蘭眼鏡工人發明了望遠鏡。意大利科學家伽利略?伽利雷（GalileoGalilei，1564—1 642）將望遠鏡加以改造，用其巡視夜空、觀察日月星辰，發現了許多新結果。這些新結果啟發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動的參考系中應該具有相同的形式。

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

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

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

你無法從任何一個現象來確定，船是在運動還是在停著不動。即使船運動得相當快，只要保持平穩和勻速的話，情況也是如此。

伽利略描述的這種現象，中國古書《尚書緯?考靈曜》上也有類似的記載：

“地恒動而人不知，譬如閉舟而行不覺舟之運也。”中國古籍上的這段文字可追溯到魏晉時代，即公元 220—589 年，要早于伽利略 1000 多年，但沒有了后續拓展，伽利略卻由此而廣開思路，大膽提出相對性的假設：“物理定律在一切慣性參考系中具有相同的形式，任何力學實驗都不能區分靜止的和作勻速運動的慣性參考系。”這個假設繼而發展成為經典力學的基本原理，稱為“相對性原理”。

物理定律不應該以參考系而改變，基于這點的相對性原理聽起來似乎不難理解。伽利略在《對話》一書中所描述的現象，也是我們每個人在坐火車或飛機旅行時，都曾經有過的經驗。

伽利略的相對性原理中，時間仍然被認為是絕對的，空間位置則根據所選取參考系的不同而不同。兩個在 x 方向以勻速 u 運動的坐標參考系中，分別測量出來的時空坐標（t、x、y 、z）和（'t 、x'、y'、z'）將有不同的數值，這兩套數值之間可以通過“伽利略變換”互相轉換。

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

經典物理的宏偉大廈主要由經典力學和麥克斯韋電磁理論組成，兩者各自都已經被大量實驗事實所證實，正確性似乎毋庸置疑，但兩者之間卻有那么一點矛盾之處。

如上所述，經典力學的規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，對經典力學現象，所有相互作勻速直線運動的慣性參考系都是等價的，但對電磁現象而言卻不是這樣，因為相對性原理不成立了。因而對經典電磁理論來說，物理學家就只好假設存在一個特別的、絕對的慣性參考系，只有在這個特定的參考系中，麥克斯韋方程才能成立，這就是被稱之為“以太”的參考系。

以太被假設為“靜止不動”，因此地球相對于這個不動的慣性參考系的運動應該被觀測到，但物理學家們在這方面并未發現任何蛛絲馬跡……

之后，愛因斯坦將相對性原理從經典力學推廣到經典電磁學，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：《時空本質：相對論的故事》

作者：張天蓉

文中圖片源于網絡

版權歸原作者所有

編輯：張潤昕

本文來自微信公眾號：原點閱讀 （ID：tupydread），作者：張天蓉

總結

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