§2-2　伽利略相对性原理

16世纪的欧洲发生过一场激烈的论战，支持亚里士多德托勒密地静说（地心说）的一派和支持哥白尼地动说（日心说）的一派吵得不可开交。这场论战持续了大半个世纪，直到开普勒发现行星运动三大定律，对行星的运动进行了符合观测的定量描述（见附录5），地动说才取得了胜利，被人们广泛接受。

在论战中，地静说有一条强有力的反对地动说的理由：如果真的是地球绕日运行，那么地球的运行速度会很高，为什么在地面的人们对地球的高速运动一点也感觉不出来呢？这是地动说不能回避而必须解答的问题。

1632年，伽利略（见图2-2）出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书，以对话的形式论证了哥白尼地动说的正确性。书中地动派的萨尔维阿蒂（伽利略自己的化身）有一段话对上述问题做了一个完整的解答。这一段话举世闻名，被广泛地流传。他说：“把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里，再让你们带几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫。舱内放一只大水碗，其中放几条鱼。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。船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方面飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐子中。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后（虽然当船停止时，事情无疑一定是这样发生的），再使船以任何速度前进，只要速度是匀速的，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，在跳跃时，你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来的远，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。水滴将像先前一样，滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾，虽然水滴在空中时，船已行驶了许多拃。鱼在水中游向水碗前部所用的力，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，蝴蝶和苍蝇将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，脱离了船的运动，为赶上船的运动显出累的样子。如果点香冒烟，则将看到烟像一朵云一样向上升起，不向任何一边移动。所有这些一致的现象，其原因在于船的运动是船上一切事物所共有的，也是空气所共有的。”（见图2-3）

图2-2　伽利略（1564—1642）

图2-3　萨尔维阿蒂的大船

这段论述给出了一条重要的结论，那就是：在封闭的船舱里发生的任何力学现象，都不能确定船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或者力学相对性原理。用现代的语言来讲，萨尔维阿蒂（匀速运动而不忽左忽右地摆动）的大船就是一个惯性参考系，伽利略相对性原理的现代表述就是：力学定律在一切惯性参考系中具有相同的形式，任何力学实验都不能区分静止和匀速运动的惯性参考系。或者说：力学定律对一切惯性系都是等价的。

关于运动及其相对性，中国古代很早就有研究了，在古人的文献中有一些描述。公元前400多年的《墨经》中讲到：“动，域徙也”，“止，域久也”，“宇域徙，说在长宇久”，表明运动是物体在空间中的位置移动，静止是物体在一个位置上处有一段时间，物体的运动，与一定长的时间和一定大的空间密不可分。东汉成书的《尚书纬·考灵曜》中谈到地球的运动时说道：“地恒动不止，而人不知。譬如人在大舟中，闭牖（yǒu，窗户）而坐，舟行而人不觉也。”（见图2-4）意思是说：大地永远在运动不停，而人却不知道，就好像人坐在关闭窗户的大船中，船在行驶但是人却不察觉。人在船中随着船一起运动，人与船之间相对静止，如果看不到窗外参考物，根本不知道船是在行驶还是停止不动。这段描述与伽利略的论述极其相似，简直就是中国版的伽利略相对性原理，但是它的提出比伽利略早了1500多年。“地恒动不止”的说法也早于西方的地动说。有人提出，把伽利略相对性原理称作“舟行不觉原理”更为恰当，这有一定道理，从字面上看也更加贴切，易于理解。

图2-4　考灵曜之舟（舟行不觉原理）