相对论有多牛？最古老且至今仍然正确的物理学原理

提到“相对论”，大多数人首先想到的，肯定是爱因斯坦。的确，他在1905年提出的狭义相对论和1915年提出的广义相对论，彻底颠覆了我们对宇宙的认知。

在爱因斯坦之前，人们普遍认为时间和空间是绝对的，就像一把永恒不变的尺子，无论你身处何地，以何种方式运动，时间流逝的速度、两点之间的距离、物体的物理尺寸，都是恒定不变的。

直到爱因斯坦的出现，人们才意识到，即使是空间和时间这样的量，也并非绝对，而是相对于观察者的视角而存在。

然而，相对论的概念并非由爱因斯坦首创。

事实上，相对论的起源可以追溯到近400年前，它是由一位在牛顿运动定律出现之前，就痴迷于研究物体运动行为的科学家提出的——伽利略·伽利雷。在伽利略的时代，相对论关注的不是空间或时间，而是一个更为简单的概念：运动的可检测性。

他思考的是以下两种情境有何区别：

• 一个人处于一个封闭的房间内，没有窗户可以看到外界，而这个房间相对于周围的一切是绝对静止的；
• 另一个人处于一个相同的封闭房间内，同样没有窗户，但这个房间相对于外部世界以恒定不变的速度向某个方向运动。

伽利略的伟大发现，被称为相对性原理，就是这两种情况之间根本没有区别。

这一核心物理学原理，首次于1632年被记录下来，至今仍然适用，未曾改变。

伽利略的思考过程

伽利略对相对性原理的思考过程既简单又深刻。

他对运动进行了多方面的探究，其最著名的发现可能是关于天体运动的。他熟悉哥白尼的理论，并倾向于日心说，认为地球只是绕太阳运行的普通行星之一，与水星、金星、火星、木星和土星一样。

然而，当谈到地球天空中物体的日常运动时，伽利略注意到有两种可能的解释，可以解释为什么太阳总是从东方升起，经过头顶，然后在西方落下：

• 整个天空以及其中的所有物体都在头顶旋转，而地球在下方保持静止。
• 天空本身是静止的，实际上是地球自身在运动：绕其轴心旋转，这给地球上的观察者造成了“旋转的天空”的假象。

伽利略指出，没有任何一种在地球上可以进行的实验能让人区分这两种情况。无论地球本身是静止的，还是以每天一圈的速度快速自转，仅仅通过身处地球，地球上的人是无法分辨的。

比萨斜塔的实验

考虑伽利略的著名（虽然可能是传说中的）实验：从比萨斜塔上投下球体。

如果地球是静止的，预测结果很简单：伽利略站在塔顶，手持一个球，而塔则固定在静止的地球上。当伽利略松手时，球会笔直下落，其水平位置永远不会偏离其初始位置；只有垂直位置会随着伽利略松手并在重力作用下下落而改变。

但如果地球在旋转会发生什么呢？

你可能会认为，如果地球绕其轴心旋转，那么当伽利略投下这个球时，球会自由下落，而塔——因为与地球相连——会随地球一起旋转。如果是这样，或许：

• 球会笔直下落，沿着直线朝地球中心落下，
• 而塔会继续随地球旋转，
• 这将导致球以地球旋转的速率与塔“分离”。

注意到地球是一个周长约40,000公里的球体，每24小时旋转一次，而比萨塔位于赤道和北极之间的大约中间位置，很容易计算出相对于地球中心，塔本身以约每秒330米的速度运动。

由于一个从（55米高的）塔上投下的球需要一点超过3秒才能落地，球似乎笔直下落而不是最终落在1000多米外的事实，你可能会倾向于认为这个实验证明了地球不在旋转。

相对思考

伽利略的许多同时代人正是以这种方式思考的。

了解到地球是一个周长已被精确测量的球体，他们可以计算出如果我们确实在自转，那么地球以及地球上的一切事物会以什么速率移动。

他们推断，一旦伽利略松开那个球，球就会被迫落向地球表面：笔直下落，因此旋转的地球应该会使塔离开球。由于没有观察到这种现象，这意味着（对他们而言）地球不可能在旋转。

但伽利略以不同的方式思考：以相对于彼此的术语。当然，塔可能相对于地球中心以约每秒330米的速度移动，但这个问题中的其他一切也是如此：

• 比萨的地面，
• 塔，
• 站在塔顶的伽利略，
• 周围的大气，
• 以及伽利略手中的球。

当伽利略松开这个球时，它保留了关于地球表面原始运动的记忆；当伽利略松开时，没有什么会影响或改变它，所以它根本不会与塔“分离”。

相反，它只是笔直下落。实际上，唯一可能被探测到的差异是，由于塔固定在旋转的地球上，随着地球旋转，塔的“顶部”比“底部”移动得稍快一些，因为它在地球周围划出了略大的圆圈。

球一旦被投下，相对于塔底的相对运动将是微小的——总共约1.5毫米，或者说小到伽利略当时的技术无法测量的程度。

从比萨斜塔到海上船只

但他的下一个伟大洞见更进一步。伽利略认识到，他进行的实验产生的结果完全不受所在房间是否处于恒定运动的影响。

当然，伽利略的时代可能没有飞机、火车或汽车可供旅行，但有一种经常处于恒定运动的交通工具：船只。

伽利略认识到，他可以在船上进行这些实验——让球和圆柱体沿着斜坡滚下，就像他在地球表面一样容易，并且无法从实验结果判断出船是安全地停靠在岸边，还是在移动，被海流带动。

事实上，这正是伽利略在1632年的著作《关于两大世界体系的对话》中考虑的情况，他写道：

“带上一些朋友关闭在大船的主舱底层... 在平稳航行的船上舱底的人无法确定船是否在移动，或者如果在移动，移动的速度是多少。”

这一关键洞见——处于恒定运动中的人除了通过与外部世界的比较外，没有任何物理证据表明他们正在运动——是相对性原理的核心。

从伽利略到爱因斯坦：相对论的演变

伽利略相对论告诉我们，“位置”或“距离”以及“速度”等量并不是所有人都认同的绝对量。如果伽利略在一艘船上让球和圆柱体沿着斜坡滚下，而那艘船在海上运动，那么：

• 与伽利略一起在船上的人，
• 相对于伽利略的船静止的浮标上的人，
• 或者相对于伽利略的船在运动的另一艘船上的人，

他们在任何和所有时刻对于斜坡上滚动的球和圆柱体的位置和速度的测量都会不同。

然而，尽管他们的测量彼此不同，但没有人是错的。

这些测量都彼此一致，并且假设所有这些船只和观察者都处于恒定、不变（即非加速）运动中，他们都会对诸如“地球重力产生的加速度是多少”和“沿着斜坡刺激连续的弦之间经过了多少时间”等问题得出相同的结论。

在伽利略相对论中，位置和速度都取决于观察者的运动，但其他量，如两点之间的距离、两个事件之间的时间或重力加速度，仍然是不变的。

令人惊讶的是，尽管自那时以来我们在物理学领域取得了所有进展，包括：

• 牛顿万有引力定律的出现，
• 电磁学的发现，
• 狭义和广义相对论的进步，
• 量子力学和量子场论的革命，

伽利略1632年关于相对性的陈述——所有处于恒定运动（或静止）中的观察者都经历相同的现实规律和规则——在今天仍然正确。

以392年（并继续增加）计，它可以说是最古老的物理原理，在其原始、不变的形式下至今仍然正确。

相对论的现代演变

然而，重要的是要认识到，在此期间，相对论的三个主要方面确实发生了变化。

前两个是在19世纪末被发现的，并在1905年被爱因斯坦奠定了坚实的基础：即“距离”和“时间”不是观察者之间普遍认同的绝对量，而是这些也会根据观察者之间的相对运动而变化。

观察者确实普遍认同的量包括光速和称为时空（或爱因斯坦）间隔的量，但“长度”和“持续时间”等也是相对的。

第三个，也可能是最深刻的修改，是我们所理解的“加速度”也不是所有观察者都认同的常数，而是任何推力或施加力的组合效果以及时空曲率的下游结果，时空曲率是我们体验为引力的根本原因。

距离（或长度）和时间（或持续时间）不仅受到观察者和物体相对于彼此的运动的影响，还受到时空曲率的影响，而时空曲率本身由整个宇宙中物质和能量的分布决定。

体验相对性：日常生活中的实验

有一个有趣的实验，你甚至可以作为孩子来亲身体验：在封闭的电梯内，从静止状态尽可能高地跳起。

如果你在电梯静止时这样做，你会达到离地板的最大高度，并且（对大多数人来说）大约1秒后落下。如果你在电梯向下移动（以恒定速度）或向上移动（以恒定速度）时这样做，你会有与电梯静止时完全相同的体验。

但如果你选择在以下情况跳跃：

• 电梯从静止开始向上加速，
• 电梯从静止开始向下加速，
• 电梯在向上移动时减速至静止，
• 或者电梯在向下移动时减速至静止，

你离地板的最大高度和你在空中停留的时间都会不同。（如果这样做，小心不要撞到电梯顶部！）

爱因斯坦等效原理正是源于这种观察：在地球表面经受向下加速度的人和在太空中驾驶加速火箭的人对物理实验的观察结果完全相同。

这两个场景，在上图中展示，导致爱因斯坦制定了现在被称为他的等效原理。除非观察外部世界，地球上封闭房间内的观察者与太空中加速火箭内的观察者无法区分哪种情况描述了他们的体验。

结语：伽利略的遗产

今天，我们理解许多宇宙遵循的规律和规则不会因我们体验它的位置和运动而改变。但相对性的起源，以及恒定运动和静止是物理上无法区分的情境的概念，可以追溯到近400年前。

经过这些世纪，我们仍然应该感谢伽利略的贡献。