§1-6  伽利略相对性原理

    一、伽利略相对性原理

    伽利略(G.Galilei,1564-1642)在1632年出版的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中对在作匀速直线运动的封闭船舱里所观察到的运动现象, 作了如下的生动描述:“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,舱里放一只大水碗,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, 向这一方向不必比向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, 只要运动是匀速的、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, 船已行驶了很多拃。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, 它们也绝不会向船尾集中, 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。……”在这里, 伽利略所描述的情景是发生在相对于地球这个惯性系作匀速直线运动的船舱里的, 与地面上的情景没有丝毫差异。于是, 下面的结论是显而易见的:

    1. 在相对于惯性系作匀速直线运动的参考系中,所总结出的力学规律, 都不会由于整个系统的匀速直线运动而有所不同;

    2. 既然相对于惯性系作匀速直线运动的参考系与惯性系中的力学规律无差异, 大家也就无法区分这两个参考系, 或者说相对于惯性系作匀速直线运动的一切参考系都是惯性系。

    由以上两点, 大家自然会得出下面的结论: 对于描述力学规律而言, 所有惯性系都是等价的。这个结论便是伽利略相对性原理, 也称为力学相对性原理。

    考虑到当时物理学的发展水平, 伽利略所揭示的物理学原理被称为力学相对性原理。爱因斯坦发展了伽利略相对性原理,提出, 对于描述一切物理过程的规律, 所有惯性系都是等价的。这便是爱因斯坦相对性原理, 是爱因斯坦狭义相对论的两个基本原理之一。大家将在以后进行讨论。

       
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