4． 相对性原理

对任何运动的描述，都是相对于某个参考系而言的。一个站在地上的人和另一个坐在一辆向前行驶的火车上的人，如果进行测量的话，可能有些测量结果是不一样的，这是因为他们选择的参考系不同，一个是以地面为参考系，另一个以火车为参考系。牛顿时代的科学家们认为，某些参考系优于另一些参考系。这是指哪些方面更优越呢？比如说，在某些参考系中，时间均匀流逝、空间各向同性，描述运动的方程有着最简单的形式，这样的参考系被称为惯性参考系。从这个视角来看，托勒密的地心说是以地球作为惯性系，而哥白尼的日心说则认为太阳是一个比地球更好的惯性参考系。然而，两者都仍然承认存在一个绝对的、静止的惯性参照系。布鲁诺在这方面则更进了一步，他不仅仅是宣传日心说，而且发展了哥白尼的宇宙学说，他以天才的直觉，提出了宇宙无限的思想。布鲁诺认为地球和太阳都不是宇宙的中心，无限的宇宙根本没有中心。布鲁诺这种追求科学真理的精神和成果，永远为后人所景仰。

1609年，一个荷兰眼镜工人发明了望远镜。意大利科学家伽利略·伽利雷（Galileo Galilei，1564—1642）将望远镜加以改造，用其巡视夜空、观察日月星辰，发现了许多新结果。这些新结果启发伽利略思考一些最基本的物理原理，著名的相对性原理便是他的成果之一。

伽利略的相对性原理是说物理定律在互为匀速直线运动的参考系中应该具有相同的形式。伽利略在他1632年出版的《关于两个世界体系的对话》（Dialogue Concerning the Two Chief World Systems，简称《对话》）^[13]中的一段话描述了这个原理，其中的大意是：

把你关在一条大船舱里，其中有几只苍蝇、蝴蝶、小飞虫、金鱼等，再挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴下来。船停着不动时，你留神观察它们的运动：小虫自由飞行，鱼儿摆尾游动，水滴直线降落……你还可以用双脚齐跳，无论你跳向哪个方向，跳过的距离都几乎相等。然后，你再使船以任何速度前进，只要运动是均匀速度的，没有摆动，你仍然躲在船舱里。如果你感觉不到船在行驶的话，你也将发现，所有上述现象都没有丝毫变化，小虫飞、鱼儿游、水滴直落，四方跳过的距离相等……你无法从任何一个现象来确定，船是在运动还是在停着不动。即使船运动得相当快，只要保持平稳和匀速的话，情况也是如此。

伽利略描述的这种现象，中国古书《尚书纬·考灵曜》上也有类似的记载：“地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也。”中国古籍上的这段文字可追溯到魏晋时代，即公元220—589年，要早于伽利略1000多年。但中国人仅仅到此为止便没有了下文，伽利略却由此而广开思路，大胆提出相对性的假设：“物理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的和作匀速运动的惯性参考系。”这个假设继而发展成为经典力学的基本原理，称为“相对性原理”。

物理定律不应该以参考系而改变，基于这点的相对性原理听起来似乎不难理解。伽利略在《对话》一书中所描述的现象，也是我们每个人在坐火车或飞机旅行时，都曾经有过的经验。伽利略的相对性原理中，时间仍然被认为是绝对的，空间位置则根据所选取参考系的不同而不同。两个在x方向以匀速u运动的坐标参考系中，分别测量出来的时空坐标（t、x、y、z）和（t'、x'、y'、z'）将有不同的数值，这两套数值之间可以通过“伽利略变换”互相转换，见附录A。

从伽利略时代过了270多年之后，爱因斯坦登上了历史舞台。他又重新思考这条“相对性原理”。如前所述，当时启发爱因斯坦思考动力的是来自于经典物理宏伟大厦明朗天空背景下的一片乌云。

经典物理的宏伟大厦主要由经典力学和麦克斯韦电磁理论组成，两者各自都已经被大量实验事实所证实，正确性似乎毋庸置疑，但两者之间却有那么一点矛盾之处。

如上所述，经典力学的规律满足伽利略的相对性原理，在伽利略变换下保持不变，但经典电磁理论的麦克斯韦方程在伽利略变换下却并不具有这种不变性。也就是说，对经典力学现象，所有相互作匀速直线运动的惯性参考系都是等价的，但对电磁现象而言却不是这样，因为相对性原理不成立了。因而对经典电磁理论来说，物理学家就只好假设存在一个特别的、绝对的惯性参考系，只有在这个特定的参考系中，麦克斯韦方程才能成立，这就是被称之为“以太”的参考系。

以太被假设为“静止不动”，因此地球相对于这个不动的惯性参考系的运动应该被观测到，但物理学家们在这方面并未发现任何蛛丝马迹……之后，爱因斯坦将相对性原理从经典力学推广到经典电磁学，建立了狭义相对论。再后来，又把相对性原理从惯性参考系推广到非惯性参考系，从而建立了广义相对论。