追寻物理本质：惯性与相对性原理的科学启示

惯性与相对性原理

近代科学的起点

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，这就是伽利略相对性原理。该原理最早由伽利略提出，是经典力学的基本原理。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，维护亚里士多德—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。

运动的物体存在惯性

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》。它是作为捍卫日心说的基本论点而提出来的。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。然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，船是在运动还是静止不动。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，船已行驶了许多柞。鱼在水中游向水碗前部所用的力并不比游向水碗后部的大；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静止不动。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。

伽利略用物理学原理为哥白尼地动学说进行辩解

牛顿运动定律能够适用的参考系，称为惯性参考系。人们通过观察和研究发现，如果牛顿运动定律在某一参照系中成立，那么在任一相对于该参照系做匀速直线运动的参考系也同样适用。这就是说，在一切彼此做匀速直线运动的惯性系中，力学规律来说是完全等价的，或者说，在一个惯性系的内部做任何力学实验都不能够确定这一惯性系本身是在静止状态，还是在做匀速直线运动。这个原理即是力学的相对性原理，或伽利略相对性原理。根据亚里士多德的物理学，保持物体以匀速运动的是力的持久作用。但是伽利略的实验结果证明物体在引力的持久影响下并不以匀速运动，而是相反的每次经过一定时间之后，在速度上就有所增加。物体在任何一点上都继续保有其速度并且被引力加剧。如果引力能够截断，物体将仍旧以它在那一点上所获得的速度继续运动下去。伽利略在金属球在斜面滚动的实验中观察到，金属球以匀速继续滚过一片光滑的平桌面。从以上这些观察结果就得到了惯性原理。这个原理阐明物体只要不受到外力的作用，就会保持其原来的静止状态或匀速运动状态不变。(www.xing528.com)

伽利略的惯性原理是近代科学的起点，它摧毁了反对哥白尼的所谓缺乏地球运动的直接证据的借口。伽利略相对性原理在经典力学中，伽利略相对性原理是与伽利略变换相吻合的。设参照系S中测得某质点的加速度是a，而参照系S'中测得该质点的加速度是a'，根据伽利略变换不难得到，同时在牛顿力学的范围内，力和质量都与参照系无关，即F=F'，m=m'，所以也就是说，牛顿第二定律的表达式在伽利略变换下保持不变。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。

伽利略

当你学过“参照物”知识后，不难理解，所谓运动和静止都是相对的，是相对于认为不动的参照物来说的。例如你坐在家中，相对于地球来说你是静止的，而相对于太阳或银河系来说，你又是运动的。电视、电影中正是利用了运动的相对性原理，拍摄出了孙悟空的“腾云驾雾”，武艺“高强”的人“飞檐走壁”以及飞行的飞机和奔驰的火车等镜头，例如：拍孙悟空“驾云飞奔”是先拍摄出孙悟空在“云朵”（布景）上的镜头，再拍摄出天空上的白云，地上的山河湖泊等镜头，然后将两组画面放到“特技机”里叠合，叠合时迅速地移动作为背景的白云和山河湖泊。我们看电视是以白云和山河湖泊作参照物，于是就产生了孙悟空腾云驾雾飞奔的效果。

奇妙的参照物

在研究机械运动时，人们事先选定的、假设不动的，作为基准的物体叫做参照物。一个物体，不论是运动还是静止，都是相对于某个参照物而言的。对于参照物的认识要注意以下两点：（一）物体是在运动还是静止，要看是以另外的哪个物体作标准。这个被选作标准的物体就是参照物。（二）判断一个物体是运动的还是静止的，要看这个物体与所选参照物之间是否有位置变化。若位置有变化，则物体相对于参照物是运动的；若位置没有变化，则物体相对于参照物是静止的。