說起來你可能不信,相對論是牛頓發明的!——談談相對性原理

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相對論之所以叫相對論，是因為基於一條叫相對性原理的基本假設。該假設（尤其是慣性系間的相對性原理）並非愛因斯坦最早提出，而是由伽利略提出，並由牛頓在此基礎上創立了經典力學。因此，按照愛因斯坦的起名方式，牛頓運動定律也可以叫做相對論！

 

當然，歷史不能重演，牛頓也絕不會想到愛因斯坦的起名方式。但這條相對性原理到底是什麼？又為什麼在伽利略、牛頓和愛因斯坦的理論中被反覆提及呢？

 

 

1632年，伽利略在他的《關於託勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》一書中這樣提到：「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。」

 

如果概括一下，這句話的意思就是，只要船保持勻速運動或者靜止，船內的人，並不會感到運動上存在不同。反過來說，我們也無法通過船上運動是否發生了變化，來判斷船的速度。

如果把大船看做一個參考系，我們就可以得出這樣一個結論，一切物理定律在所有慣性系中均保持一致的形式，這就是伽利略的相對性原理。這個理論具有可證偽性，因此我們將它作為一個假設看待。因為總不能保證不會出現一個慣性系，和其他慣性系中的物理定律形式不同。

 

那麼，牛頓的經典力學和愛因斯坦的相對論，既然都是基於這條基本假設，他們的分歧在哪裡呢？為了方便理解，我們不妨做個比喻。

 

不同的慣性參考系就像一座座島嶼。為了研究物理，我們就要架設一條從自己島嶼（參考系）出發，到研究對象所在島的橋梁。這座橋梁上行走的可不是汽車和行人，而是物理參數。對於三維空間中的運動，物理參數就是三維坐標和時間（x，y，z，t）。

 

物理規律就是每座島嶼上的法律，不光是人，任何在島上的物體都必須嚴格遵守。在亞里斯多德的時代，人們一直不知道各個島上的法律是不是相同，也很少有人想這個問題。

 

直到伽利略提出假設，所有島上的法律其實是一樣的，我們並不會通過法律看出來自己是否到了其他島上。就像我們去了美國，發現川普按照憲法規定在橢圓辦公室裡掛五星紅旗一樣神奇。

 

 

但是，麻煩的事情來了，不同的參考系上的物理參數可不相同，例如兩個有相對速度的慣性系，同一個點的坐標，就會隨著時間，發生不同的變化。這樣一來，如果兩個島上的參數分別放進相同的方程裡，形式可就不一樣了。

 

既然我們通過觀察是無法發現島嶼之間規律的區別，那就一定有什麼東西被忽略了。伽利略發現，其實每個島上都設置了關卡。別的島上來的參數，都要經過改頭換面，然後才能放進方程裡。這樣一來，各個島上的規律又相同了。人們把它稱為伽利略變換。

x'=x-vt；

y'=y；

z'=z；

t'=t。

隨著物理學的發展，島上的法律越來越多。到了十九世紀末，麥克斯韋提出了新的法律——麥克斯韋方程組。它提出一個奇怪的結論，真空中電磁波的速度永遠是常數。也就是說，各個島上都多了一條法律——光速不變。

 

這下經過關卡的參數可再也不能保證物理規律形式不變了。因為按照伽利略的變換方式，光速到了不同的島上，就要被減去兩個島（參考系）間的速度差，再也不能保持常數了。人們意識到了問題的嚴重性。

總結起來，就是人們發現有三個理論互相矛盾：

1.相對性原理

2.光速不變

3.伽利略變換

 

辦法倒是有，去掉一個錯誤選項，這方面大家都是認可的。但至於去掉哪個，就出現了分歧。

 

首先，如果去掉「相對性原理」，這是人們不願意看到的。如果相對性原理不存在，各個島嶼之間的橋梁將不復存在。慣性系是無窮多的，物理規律也可能會變得無窮多，物理研究將變為不可知論。

 

其次，去掉「光速不變」，這是大家比較認同的，這畢竟還是一個才提出來二十年的新理論，沒有充分經過時間和實踐的檢驗。

 

但很快人們發現，光速不變是符合實驗結果的，所以這條也不得不保留。

 

那麼，只能去掉「伽利略變換」了，並且，需要一個新的變換方式，來完成之前的工作——不僅要使島嶼間的法律不變，還要讓新增加「光速不變」這一法律條款也相同。完成這項工作的，就是偉大的愛因斯坦。他在狹義相對論中，用「洛倫茲變換」取代了伽利略變換，在島嶼間建造了新的關卡，保證了規律的不變。

 

 

 至於後來提出的廣義相對論，應該可以算作是這片島嶼連像新大陸的橋梁了。這一理論對相對性原理做了進一步擴充：物理定律的形式在一切參考系都是不變的。

 

最後給有志推翻相對論的研究者提個建議，相對論的推導過程是很嚴謹的，不要想著找錯了。如果真想別出心裁，可以試試從前面三條理論中想想辦法，牛頓不承認第二條，愛因斯坦不承認第三條。不妨試試從還沒被人碰過的第一條「相對性原理」來著手，搞一套既符合伽利略變換的，又隨參考系變化的物理法則，也算有點意思。

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