薩爾維阿蒂的大船

劉鑫源

經典物理學是從否定亞里士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，維護亞里士多德—托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，為什么在地面上的人一點也感覺不出來呢？這的確是一個不能回避的問題。

1632年，伽利略出版了他的名著《關于托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里，讓你們帶著幾只蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲，艙內放一只大水碗，其中有幾條魚。然后，掛上一個水瓶，讓水一滴一滴地滴到下面的一個寬口罐里。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，魚向各個方向隨便游動，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后，再使船以任何速度前進，只要勻速，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，你也將和以前一樣，在船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，腳下的船板向著你跳的相反方向移動。你把不論什么東西扔給你的同伴時，不論他是在船頭還是在船尾，只要你站在他對面，你也并不需要用更多的力。水滴將像先前一樣，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。魚在水中游向水碗前部所用的力并不比游向水碗后部來得大，它們一樣悠閑地游向放在水碗邊緣任何地方的食餌。最后，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，并不因為它們可能長時間留在空中，而脫離開船的運動，或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：觀察船中發生的任何一種現象，你都無法判斷船究竟是在運動還是在停著不動的。現在稱這個論斷為伽利略相對性原理。

用現代的語言來說，薩爾維阿蒂的大船就是一種慣性參考系。就是說，以不同的速度勻速運動著而又不忽左忽右擺動的船都是慣性參考系。在一個慣性系中能看到的種種現象，在另一個慣性參考系中必定也能無任何差別地看到。亦即，所有慣性參考系都是平權的、等價的。我們不可能判斷哪個慣性參考系是處于絕對靜止狀態，哪一個又是處于絕對運動狀態。

伽利略相對性原理不僅從根本上否定了地靜派對地動說的非難，而且也否定了絕對空間觀念（至少在慣性運動范圍內）。所以，在從經典力學到相對論的過渡中，許多經典力學的觀念都要加以改變，唯獨伽利略相對性原理不僅不須要加以任何修正，而且成了狹義相對論的兩條基本原理之一。