相對性原理講的是什麼？

相對性原理講的是什麼？

前兩期我們已經簡單介紹了狹義相對論和廣義相對論的內容，在介紹狹義相對論內容的時候，筆者曾經說了一句：「狹義相對論是建立在兩個基礎原理之上：相對性原理和光速不變原理。相對性原理還好，大家都沒什麼問題，但是光速不變原理就遭殃了。」

儘管，在筆者與廣大的網友們接觸的過程中，發現對「相對性原理」提出異議的情況不多，但是在交談接觸中筆者還是明顯感受到絕大部分人對這個「相對性原理」根本就不理解。那麼，筆者擠了點時間來對這兩大基礎原理進一步做出解釋和科普。本文主要介紹相對性原理是怎麼回事，是如何發展的，又經歷了哪些變動。

相對性原理誕生

什麼是相對性？我們從中學的物理中可以知道，物體的運動都是相對的。教科書明確寫著這樣一句話：「運動和靜止都是相對的。」那怎麼去理解這句話呢？

在物理學上，我們要描述一個物體的運動狀態，需要選照一個參考系，然後根據我們所要研究的物體相對於我們所選的參考系的運動情況來進一步判斷。最早對相對性有思考了解的是中國人，有一首詩可以很好地體現這樣的相對性價值觀：

飛花兩岸照船紅，

百里榆堤半日風。

卧看滿天雲不動，

不知雲與我俱東。

詩的後面兩句「卧看滿天雲不動，不知雲與我俱東」，寫的就是相對性的價值觀世界觀。就是說，如果我以雲作為參照物的話，那麼我的船跟雲是靜止的，但是如果我以地面作為參照物的話，那麼我的船和雲都是運動著的。

但是，最早對相對性原理進行科學描述以及實驗的，是伽利略。

伽利略在他的《在關於兩大世界體系的對話》一書中就有過關於這方面的記載，由於篇幅所限筆者就不再原文引用了，而是簡單概括一下，具體是這樣的：

伽利略提出了一個思想實驗，就是說如果我把你關閉在一艘船裡頭，然後你無法從中獲取任何外界的信息。這時候你無法在船艙裡頭通過實驗來判斷船是靜止不動的還是朝著某個方向以一定的速度做勻速直線運動的。

第一次推廣後的相對性原理

但是，伽利略當時提出的相對性原理，僅僅針對力學實驗而言，所以在物理學史上被稱為力學相對性原理。此「力學相對性原理」講的是：

所有的慣性系都是平等的，不能用任何力學實驗來區分一個系統是處於靜止的還是做勻速直線運動的。

好了，相對性原理髮展到這裡已經有了初步的雛形。後來，我們通過大量的實驗事實和經驗發現，相對性原理不僅僅針對於力學實驗能成立，對於一切的物理實驗都能夠成立。於是，相對性原理就被進一步推廣，推廣後的相對性原理是這樣子的：

所有的慣性系都是平等的，不能用任何物理實驗來區分一個系統是靜止的還是做勻速直線運動的。

聽明白了嗎？到這裡來相對性原理已經進行了一次「升級」改造了。但是，相對性原理在接下來的日子並不好過，甚至還有被拋棄的危險，怎麼說？請看下面的介紹。

相對論誕生前夜相對性原理險被拋棄

十九世紀，偉大的物理學家麥克斯韋提出了電磁理論，並給出了麥克斯韋方程。電磁理論提出後，物理學界有相當多的一批人對相對性原理提出了質疑甚至是放棄，這其中不乏洛倫茲這樣的當時卓越的物理學家。這是為什麼呢？

在麥克斯韋的電磁理論提出後，人們發現有一個很大的問題：在電磁理論中，真空中電磁波的速度是一個常數c，而當時已經認識到光波就是電磁波，也就是說，麥克斯韋理論要求真空中的光速是一個常數。

這下問題就大了，因為如果麥克斯韋理論是對的，那麼跟相對性原理結合在一起，就會出現：所有慣性系中的光速都是同一個常數c，這和常識有很大的抵觸。從常識上來看，相對於光源靜止的觀測者如果測得的光速是c，那麼如果他迎著光速以速度v運動，所測到的光速應該是（c+v），順著光的方向的話測得的光速則是（c-v）。怎麼可能這三人測得的光速都是同一個c呢？這完全違背常識的。

在牛頓經典物理時空觀占絕對優勢的年代，很多人頭腦里有著絕對的時空觀，洛倫茲想，如何解決這個問題呢？他說要麼麥克斯韋是錯的，要麼相對性原理是錯的。最後他選擇了相對性原理是錯的，認為應該放棄「相對性原理」，即光速只相對於絕對空間是c，對於眾多的相對於絕對空間做勻速直線運動的慣性系，光速就不再是c了。

洛倫茲的觀點受到了當時最卓越的數學家龐加萊的批評，龐加萊認為不能拋棄相對性原理，但是龐加萊本人也沒有真正放棄絕對時空觀，他一直相信「以太」理論，而承認了「以太」實際上就等於是承認了「絕對時空」。

老愛保相對性原理小命

事情發展到了如今，相對性原理在物理學中的地位受到了嚴重的質疑和挑戰。但幸運的是，在這時候，既出現了斐索實驗跟光行差實驗之間的矛盾，又有了邁克爾孫——莫雷實驗的失敗，也有前期的哲學家馬赫的觀點，於是愛因斯坦出來了，他認為「相對性原理」是必須堅持的根本原理，是科學的一條「真理」，而以太理論是可以放棄的。

愛因斯坦認為以太理論和絕對時空都應該拋棄，認為伽利略變換不等於相對性原理，他同時考慮了麥克斯韋電磁理論，即真空中的光速是一個常數c，以及相對性原理跟伽利略變換之間的矛盾，認為「麥克斯韋電磁理論」和「相對性原理」比伽利略變換更基本。於是，在這樣的基礎上，愛因斯坦堅持了相對性原理並且提出了光速不變原理（關於光速不變原理我們下一期介紹），建立了狹義相對論。

至此，相對性原理逃過死亡的威脅，倖存了下來。

再次高潮的相對性原理

在上一期我們介紹的廣義相對論中，筆者提到過愛因斯坦拋棄了慣性系的概念，把一切的物理定律都推廣到非慣性系中成立。這其中就包括了相對性原理。

我們知道，狹義相對論是建立在「相對性原理」和「光速不變原理」之上的，但是細心的朋友可以發現，此時的兩個基礎都只是在慣性系中成立。那麼，對於沒辦法定義的慣性系，愛因斯坦的解決辦法就是直接不要慣性系，把所有的一切定律都推廣到非慣性系中。這時候，原先俠義的相對性原理就變成了廣義的相對性原理，它主要說的是：

一切的物理規律在一切的參考系（忿管是慣性系還是非慣性系）中都成立。

總主編圈點：

如今，相對性原理依舊是我們物理學上最重要的一條基本原理，不管是牛頓的經典物理還是愛因斯坦的相對論都要用到它。相對性原理這一科學「真理」我們必須堅持下去，才能穩住我們整個物理學大廈。從相對性原理的發展我們也可以看出，真理一定是在不斷地被檢驗和挑戰中穩固自己的地位的。