五、狭义相对性原理

为了在最大程度上尽可能地达到准确，让我们回到那个匀速行驶的火车车厢的例子。我们将这种运动叫匀速平移运动（“匀速”指的是其运动速度和方向保持恒定，“平移”是指车厢相对于路基的位置发生改变，但它的位置在改变的过程中没有旋转）。设想天空中有一只乌鸦飞过，从路基上对它进行观察，我们发现它正在做匀速直线运动。如果我们在移动的车厢里观察它，我们就会发现虽然乌鸦运动的速度或者方向与之前相比会有所不同，但是它仍在做匀速直线运动。从抽象层面描述，我们会说：如果质点m相对于一个坐标系K做匀速直线运动，已知另一个坐标系K'相对于K保持匀速平移运动，那么m相对于K'也在做匀速直线运动。根据之前的讨论，可得出结论：如果K是一个伽利略坐标系，那么每一个相对于K做匀速平移运动的坐标系K'也是一个伽利略坐标系。适用于K的伽利略-牛顿力学定律同样适用于K'。

我们现在再用更加概括性的语言来描述这个原理：如果K'是相对于K做匀速运动并且没有旋转的坐标系，那么自然现象相对于K'的实际演变所遵循的基本规律与其相对于K所遵循的基本规律是完全相同的。这就是所谓的狭义相对性原理。

一旦人们开始相信所有的自然现象都能够借助经典力学呈现出来，相对性原理的正当性就毋庸置疑了。但是鉴于电动力学和光学研究的新近发展，我们越来越明显地感受到，由于缺乏充分的依据，这样的物理定律不足以描述所有的自然现象。在这样的节点，讨论相对性原理正当性问题的时机已经成熟，我们不能排除答案可能是否定的。

即便如此，有两个普遍事实是非常有利于证明相对性原理的。即使经典力学不具有足够广泛的基础将所有物理现象在理论层面呈现出来，但因为它为我们提供了天体运动的准确的细节，我们仍然在相当大程度内赋予其真实性。因此，在力学领域中，相对性原理必须具备相当高的精确度。然而，这样广泛适用的理论在某一现象内具有非常高的准确度，但是在另一种情况下就不是那么准确了，这是一个听起来不太可能的先验命题。

现在我们开始第二个论点，这一要点我们在后面还会提及。如果狭义相对性原理不可行，那么相互之间匀速移动的伽利略坐标系K、K'、K"等就无法在自然现象的描述中建立等效关系。在这种情况下，我们必须相信自然法则很容易就能被建构起来，只要满足一个条件，那就是在所有可能的伽利略坐标系中选择一个特定运动状态下的坐标系（K₀）作为我们的参照系。我们因此能够合理地（因为它具有描述自然现象的优势）将其称为“绝对静止”的坐标系，而其他所有的伽利略坐标系都是“运动中”的。假设，我们选择了路基作为K₀坐标系，那么火车车厢就是一个K坐标系，相对于K，K₀适用于更简单的规则；因为K₀处于相对静止状态，而K处于（相对）运动状态。在我们参考K而构建的一般自然规律中，车厢行驶速度的快慢和方向不可避免地成为研究的重要因素。例如，我们可以推测，当风琴管管道放置方向与音符的流动方向相平行时产生的声音，与管道垂直于音符方向放置时所产生的声音一定是不同的。

因为地球是环绕太阳做轨道运动的，所以我们就可以将地球看作一列以每秒30千米的速度运行的火车。相对性原理在此时并不适用，因此我们期待地球某一秒的运动方向能够被我们采用，从而建构起自然法则，此时物体在该物理体系的行为应该依赖于相对于地球的空间方位。由于地球在一整年的圆周运行过程中，其运动速度方向始终在发生变化，因此地球一整年的运动都无法满足条件，也就无法建立假定相对静止的K₀坐标系。然而，即便是经过最细致的观察，我们也没有发现地球物理空间中出现了各向异性特征，也就是说，各个方向的物理非对等性。这也是支持相对性原理的一项有力论证。

伽利略

伽利略·伽利莱（1564—1642），意大利数学家、物理学家、天文学家，科学革命的先驱。他首先在科学实验的基础上融会贯通了数学、物理学和天文学三门知识，扩大、加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识。

伽利略从实验中总结出自由落体定律、惯性定律和伽利略相对性原理等。他以系统的实验和观察推翻了纯属思辨传统的自然观，开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。因此被誉为“近代力学之父”“现代科学之父”。其工作为牛顿的理论体系的建立奠定了基础。^[18]

牛顿

艾萨克·牛顿（1643—1727），爵士，英国皇家学会会长，英国著名的物理学家，百科全书式的“全才”。

牛顿在1687年发表的论文《自然定律》里，对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点，并成为现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都遵循相同的自然定律；为太阳中心说提供了强有力的理论支持，推动了科学革命。^[19]