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惯性故事—萨尔维阿蒂大船



  经典物理学是从否定亚里士多德的时空观开始的。当时曾有过一场激烈的争论。赞成哥白尼学说的人主张地球在运动,维护亚里土多德----托勒密体系的人则主张地静说。地静派有一条反对地动说的强硬理由:如果地球是在高速地运动,为什么在地面上的人一点也感觉不出来呢?这的确是不能回避的一个问题。

  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。船停着不动时,你留神观察,小虫都以等速向舱内各方向飞行,鱼向各个方向随便游动,水滴滴进下面的罐中,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,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。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了一条极为重要的真理,即:从船中发生的任何一种现象,你是无法判断船究竟是在运动还是在停着不动。现在称这个论断为伽利略相对性原理。

  用现代的语言来说,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。

  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。


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