伽利略的相对性原理（一）

刘文旺

我们知道，哥白尼的日心说取消了地球是宇宙中心的思想。哥白尼认为地球环绕太阳运动，同时也在自转。但是当时的反对者们认为，假如真的是这样，我们为什么没有感觉到地球的自转的存在？我们为什么没有被地球的旋转甩出地球呢？

伽利略坚信哥白尼学说的正确性，为了为哥白尼辩护，伽利略提出了我们熟知的相对性原理。

这就是我们熟知的伽利略相对性原理的由来。

我们看下面的事实：

据记载，早在1632年，伽利略出版了他的名著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。书中那位地动派的“萨尔维阿蒂”对上述问题给了一个彻底的回答。他说：“把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里，让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫，舱内放一只大水碗，其中有几条鱼。然后，挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里。船鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐口，你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向用更多的力。你双脚齐跳，无论向哪个方向跳 过的距离都相等。当你仔细地观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远。虽然你跳到空中时，脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。你把不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也并不需要用更多的力。水滴将象先前一样，滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾。虽然水滴在空中时，船已行驶了许多柞(为大指尖到小指尖伸开之长，通常为九英寸，是古代的一种长度单位)。鱼在水中游向水碗前部所用的力并不比游向水碗后部来得大；它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。最后，蝴蝶和苍蝇继续随便地到处飞行，它们也决不会向船尾集中，并不因为它们可能长时间留在空中，脱离开了船的运动，为赶上船的运动而显出累的样子。”

萨尔维阿蒂的大船道出一条极为重要的真理，即：从船中发生的任何一种现象，通过我们熟知的任何力学规律，你是无法判断船究竟是在运动还是停着不动。

现在称这个论断为伽利略相对性原理。

当然，并不是所有的自然规律都不能解决这一问题，我们后面又针对次的阐述。也就是说，伽利略的相对性原理也是有问题的。

萨尔维阿蒂的大船就是一种所谓惯性参考系。就是说，以不同的匀速运动着而又不忽左忽右摆动的船都是惯性参考系。在一个惯性系中能看到的种种现象，在另一个惯性参考系中必定也能无任何差别地看到。亦即，所有惯性参考系都是平权的、等价的。我们不可能判断哪个惯性参考系是处于绝对静止状态，哪一个又是绝对运动的。

从现代意义上说，伽利略相对性原理不仅从根本上否定了地静派对地动说的非难，而且也否定了绝对空间观念（至少在惯性运动范围内）。所以，在从经典力学到相对论的过渡中，许多经典力学的观念都要加以改变，唯独伽利略相对性原理却不仅不需要加以任何修正，而且成了狭义相对论的两条基本原理之一。

    爱因斯坦在建立狭义相对论的过程中，把伽利略的相对性原理，加以拓展。再加上光速不变原理。推导出了洛伦兹已经完成的洛伦兹变换。并在此基础上在不同的时间段分别完成了质速关系、质能关系的推导，从而产生了我们所熟知的狭义相对论。

    当然，由于光速不变原理是错误的错误。使得狭义相对论变得一文不值。

理由很简单，早在MM实验法相光速与地球的运动无关之前，人们就发现了光速可变的事实——光行差现象。

在中国是古已有之的。“尚书纬·考灵曜”中写有：“地恒动不止，而人不知，如坐闭牖舟中，舟行而人不觉也。” “考灵曜之舟”一句话被放在萨尔维阿蒂的大船之前，因为“考灵曜”比“对话”早一千多年。
        1492 年，哥白尼发表日心地动说后，曾受到当时天主教廷的强烈反对和压制。这一段历史很出名。宗教的压制，主要是基于普世的教义。从物理角度看，哥白尼日心论和托勒密地心论等都是物理模型，都是可质疑，可证伪的。围绕哥白尼日心论的物理争论与宗教压制是两回事。

赞同托勒密模型而反对哥白尼模型的人，对日心论的一个重要物理诘难是：如果真的是地动，而日不动，地球的运行速度会很高。在高速运行的地球上，哥白尼以及拥哥派们如何能稳稳地生活在地球上，而不被高速运行的地球甩掉？

用户哥白尼派和反对哥白尼派双方为“甩掉诘难”争论了一百多年。

伽利略在写“对话”时意识到，要彻底解决“甩掉诘难”，相对性原理的普适性是必不可少的。如果没有普适性，在萨尔维阿蒂大船的甲板下的主舱里，就有可能用 “被甩掉”现象来“确定船是在运动还是在停着不动”。那也就有可能确定是地动还是天动。相反，如有普适性，就是断言，不存在任何“被甩掉”现象。

伽利略相对性原理要求，所有物理动力学（飞虫的，水滴的，或游鱼的动力学）相对于“船是在动还是静止不动”是不变的。或者，用更明确的物理语言说：在惯性参考系中，所有物理动力学规律，在伽利略变换下，都是不变的。19世纪之前已知的物理动力学，的确都满足伽利略变换之下的不变性。不存在“被甩掉”现象。
    “考灵曜”一文中虽也有“地恒动不止”的想法，但无人执著于讨论：“如果地恒动，你会不会被地动甩掉？。以至，“舟行而人不觉”并没有触发一场物理科学辩论，没有导致普适性猜测。想来，就是现在，也只有不太多的人有兴趣弄明白“为甚么你不会被高速运行的地球甩掉？”。思考这类问题，常被讥为杞人忧天。相反，“不争论”才是博大精深文化的精髓之一。