如何评价相对论原理

　　相对性原理：“在任何惯性参考系中，自然规律都相同。”——有没有感觉这就是一句废话？

　　伟大的思想往往包含在看似简单的言语之中。还记得牛顿第一定律么？“物体不受外力作用时，其运动状态不变。”看起来这似乎也是一句屁话。但这居然是经典物理学宏伟大厦不可动摇的基石之一。

　　当我们学习牛顿第一定律“物体不受外力作用时，其运动状态不变”时，我们有时会换成另一种说法：“物体要改变运动状态，必须受外力作用。”这两种说法是等效的。一样的道理，爱因斯坦的相对性原理“在任何惯性参考系中，自然规律都相同”这句话，也可以说成：“只有在不同惯性系之间，自然规律才会不一样。”或者说：“在不同惯性系之间，自然规律可能会不一样。”

　　假设小明拿了一个铁球在船上做自由落体运动实验。而你在另一艘相对运动的船上，观察小明做的实验。小明看到铁球是垂直下落的。但是你看到的却是一个抛物线。这样，你和小明在“不同惯性参考系之间”观察“同一现象”的结果是不一样的。

　　但是高智商的你一定在嘀咕了：这可不就是相对运动吗？这初中生都能够熟练解决的相对运动问题，用得着爱因斯坦这个“相对性原理”干什么？

　　的确，在地球上研究各种物体的相对运动，在各惯性参考系之间的转换，都用不着爱因斯坦来解决。因为我们人类有一个“统一的、默认的”惯性参考系——地面。你和小明在船上观测到的分歧，都可以通过地面这个参考系来统一。你和小明吵半天，谁也说服不了谁，那么请教一个站在岸边的人，他就可以让你两人恍然大悟，达成一致。

　　地球相对人类来说，尺度足够大。人类很多观念被局限在地球范围内，这是很正常的。比如大海的水面，古代人认为那是一个平面，现在我们知道水平面是弯的，因为其实地球是球形的。比如古代人认为太阳围绕大地转，现在我们知道其实是地球在自转。

　　我们的惯性参考系也被地球“误导”了。我们不知不觉就会把地球当做一个“终极参照物”。这样，地球上一切物体的相对运动，都可以在这个参考系中统一起来，从而消除了“自然规律在两个惯性参考系之间，观察结果会不一样”的问题。

　　当人类把目光放到银河系甚至更大空间的时候，我们就要建立更大的参考系。我们观察太阳系，以太阳为原点建立参考系。这样，火星、木星、地球的运动符合伽利略和牛顿提出的公式，十分完美（如果在观察太阳系的时候，还是以地球为参考系，那每个行星的运行轨迹就会非常复杂）。在以太阳为坐标的这个参考系中，地球的公转速度为每秒30公里。当我们观察银河系，就以银河系中心建立了“银河系参考系”，在这个参考系中，我们观测到太阳携带着地球在内的九个行星，以每秒220公里的速度围绕银河系中心旋转。

　　请注意，地球的公转速度为每秒30公里，这是相对于太阳来说的。而太阳带上地球又以每秒220公里的速度飞奔，这是相对于银河系中心来说的。我们还知道，银河系也不是静止不动的，又携带着几亿恒星在宇宙中狂奔。那么问题就来了，地球在宇宙空间中真正的速度是多少呢？

　　就这样，随着人类视野的不断拓展，隐藏很深的参考系问题慢慢浮出了水面。

————————–你可以直接从这里读起———————————

　　大多数人都会把宇宙想成一个大大的“空箱子”。很多星系散布在这个箱子里头。这千千万万个星球中，有些星球是相对箱子静止的，有些星球则以各种速度往各种方向运动。我们脑子中这个“空箱子”，就是我们想象出来的宇宙参考系。

　　这个参考系也就是所谓的宇宙“绝对空间”。为什么说是“绝对”呢？因为这个空间的存在并不依赖箱子里头的东西。箱子里的那些星系啊星云黑洞啊什么的，就算是一个都不存在，这个箱子也是存在的，它是一个“空的宇宙”。就像我们学数学时画在纸上的坐标，没有那些点线面的存在，坐标依然存在。

　　十九世纪末期，物理学家为建立这个绝对的“宇宙参考系”而头痛：宇宙参考系如何建立？这个终极参考系的坐标原点在哪里呢？因为，没有这个参考系，我们甚至不知道自己所住的星球在哪里，往哪里去，去得有多快！对于物理学家来说，这种对自身状态无知的感觉是多么可悲的事啊！

　　为了解决这个问题，当时的物理学家们假象了一种神奇的物质——以太。他们想象以太是光传播的媒介，充满整个宇宙，以太是静止的，并且具有不可思议的特性，例如完全透明、完全无质量、完全刚性等等。以太相对于宇宙绝对空间是静止的，这样，我们就可以从以太的角度来观测各种运动，也就能建立起一个绝对的宇宙参考系了。

　　如果真的有以太，地球在运动的时候，就会迎面吹来一阵“以太风”。就像我们开车的时候，车子穿过静止的空气形成的迎面风一样。我们通过测量以太风的速度，就可以知道地球穿过以太的速度，这就是地球在宇宙空间中的“绝对速度”了。于是很多科学家纷纷动手，设计了许多精妙的实验装置，通过测量光速的差异来寻找以太风。但是遗憾的是，无论多么努力，他们都没有能够测出以太风。以太理论似乎也陷入了僵局。

　　爱因斯坦就是在这种情形之下提出了相对性原理：“在任何惯性参考系中，自然规律都相同”。在这平实无华的一句话背后，隐藏着爱因斯坦一个令人震惊的主张。那就是：任何惯性参考系都是相对而言的，宇宙的绝对参考系并没有，也不需要有。

　　我不知道为什么爱因斯坦没有直白地提出他的这个主张，而是“用了曲笔”。也许是他觉得这个主张对于其他物理学家太过于残酷了。因为宣布宇宙没有绝对参考系，就是宣布了宇宙只能局部可知，而不是完全可知的。为什么呢？还是拿地球来说吧，按相对论原理，我们就永远也不会知道自己的“宇宙速度”。我们只能知道地球在太阳系中的速度，或者银河系中的速度，或者更大尺度的参考系中的速度。但这些都是“局部速度”，地球的“宇宙速度”我们永远不会知道。

　　当时，物理学自伽利略、牛顿始，经过两百多年发展，一路成绩辉煌。人类对宇宙万物的认识不断扩大，上穷苍穹，下竭微粒。科学家们对人类的聪明才智非常自信，认为只要有足够的时间，只要肯努力肯登攀，就能够把宇宙万物弄个清清楚楚。爱因斯坦的这种观点，不仅经典物理学家不能接受，甚至哲学界也反对。这不是主观唯心主义吗？这不是不可知论吗？我们一直相信，宇宙万物，必然有“真实的”、“客观的”存在，而不是相对的、与观察者有关的。

　　后人之所以认为爱因斯坦是个伟大的人物，就在于他宣布了我们人类观察力的局限性。这种革命性的思想主张，就像达尔文宣布人类由猿进化，就像哥白尼宣布地球不是宇宙的中心一样。虽然有悖固有的观念，甚至有违传统的文化，让人难以接受，但能给整个社会思想带来震撼，产生划时代的变化。人们越理解这种思想，就越觉得其可信，越感到其可贵。

———————————-后面补充两句，读不读随你————————-

　　好了，把话题收回来，在前面的场景中，小明和你分别位于两艘船上，你观察小明做的实验，和小明自己观察会得出不同的结果。如果没有相对性原理概念，你和小明就会为“到底谁才是正确的？”争论不休。当我们具有了相对性思维之后，我们会这样去看：

　　一方面我们认为，不同参考系之间的观察结果不一样，是正常的，无所谓谁正确。如果我们始终立足于本身参考系之中，就无法统一两种观察结果的分歧。

　　另一方面，相对性原理让我们意识到，这两个参考系如果能统一到更大的参考系中，这种分歧就能够得到解决。比如地面。

　　现实中，存在很多这样的“统一参考系”。科学家根据地面、太阳、银河系建立的参考系有：地平坐标系、赤道坐标系、黄道坐标系、银道坐标系等等，这些在日常工作和科研中都是常常使用的。宇宙是如此之大，仅仅银河系就有10万光年，包容有4千亿个类似太阳系的恒星系。我们人类生活的地球，在银河系中就是一颗微尘。我们以银河系这样的尺度来建立参考系，来确定我们地球的运动状态，已经完全足够。

　　虽然相对论原理宣称没有“绝对宇宙参考系”，但是相对论原理也告诉我们，局部的“绝对参考系”是可以相对存在的。

　　引申到哲学中，这就是相对真理和绝对真理的问题。我也觉得用相对论的眼光看问题也很有意思。比如穆斯林认定真主安拉是唯一真神，可基督徒认为上帝才是唯一真神。他们为此吵了两千多年，付出了万千生命。如果眼光只在自己的“参考系”中，他们将不会有停止争斗的那一天。只有找到涵盖范围更大的“统一参考系”，他们才有坐下来好好谈的可能。

　　相对论不仅是物理科学，也是人类思想的突破和进步。相对论提出已经将近百年，引发了一系列关于科学和哲学的讨论。直到如今有人仍然不愿意接受相对论，网上质疑相对论或者声称自己已经推翻相对论的言语还很多。不过我自己觉得，承认人类的认识局限，不仅没有让我有丝毫失落感，倒是如释重负。在浩瀚无垠的宇宙面前，人，还是谦逊一些才好。

作者：老逼格