「物理故事」運動相對性的起源——薩爾維阿蒂的大船

2021-01-09 跟我一起學物理

經典物理學是從否定亞里斯多德的時空觀開始的。當時曾有過一場激烈的爭論。贊成哥白尼學說的人主張地球在運動,維護亞里斯多德-託勒密體系的人則主張地靜說。地靜派有一條反對地動說的強硬理由:如果地球是在高速地運動,為什麼在地面上的人一點也感覺不出來呢?這的確是不能迴避的一個問題。

1632年,伽利略出版了他的名著《關於託勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》。書中那位地動派的「薩爾維阿蒂」對上述問題給了一個徹底的回答。他說:「把你和一些朋友關在一條大船甲板下的主艙裡,讓你們帶著幾隻蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲。艙內放一隻大水碗,其中有幾條魚。然後,掛上一個水瓶,讓水一滴一滴地滴到下面的一個寬口罐裡。船停著不動時,你留神觀察,小蟲都以等速向艙內各方向飛行,魚向各個方向隨便遊動,水滴滴進下面的罐中,你把任何東西扔給你的朋友時,只要距離相等,向這一方向不必比另一方向用更多的力。你雙腳齊跳,無論向哪個方向跳過的距離都相等。當你仔細地觀察這些事情之後,再使船以任何速度前進,只要運動是勻速,也不忽左忽右地擺動,你將發現所有上述現象絲毫沒有變化,你也無法從其中任何一個現象來確定,船是在運動還是停著不動。即使船運動得相當快,在跳躍時,你將和以前一樣,在船底板上跳過相同的距離,你跳向船尾也不會比跳向船頭來得遠。雖然你跳到空中時。腳下的船底板向著你跳的相反方向移動。你把不論什麼東西扔給你的同伴時。不論他是在船頭還是在船尾,只要你自己站在對面,你也並不需要用更多的力。水滴將象先前一樣,滴進下面的罐子,一滴也不會滴向船尾。雖然水滴在空中時,船已行駛了許多距離。魚在水中遊向水碗前部所用的力並不比遊向水碗後部來得大;它們一樣悠閒地遊向放在水碗邊緣任何地方的食餌。最後,蝴蝶和蒼蠅繼續隨便地到處飛行。它們也決不會向船尾集中,並不因為它們可能長時間留在空中,脫離開了船的運動,為趕上船的運動而顯出累的樣子。」

薩爾維阿蒂的大船道出了一條極為重要的真理,即:從船中發生的任何一種現象,你是無法判斷船究竟是在運動還是在停著不動。現在稱這個論斷為伽利略相對性原理。

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