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第二章 伽利略和牛顿的世界(3)

时间的形状:相对论史话 作者:汪洁


伽利略:“我想问你一个问题,怎么区分静止和运动?”

你:“这也叫问题?我开着法拉利一溜烟儿地从你身边开过,我就是在运动,难道这有什么不对?”

伽利略:“对不起,请问法拉利是谁?”

你:“哈,不好意思,忘记你是古人了,那我就不说法拉利了,我们说火车吧。”

伽利略:“火车?”

你崩溃状:“你那个时代连火车也木有!!伤不起啊!想想也是,蒸汽机还没发明,瓦特都没出生,好吧,那我们说船总可以了吧,船你总知道吧?”

伽利略:“船,当然知道,你的意思是说如果你在开动的船上,我在岸上,那么我就是静止的,你就是运动的对吗?”

你:“哈哈,我可不会上你的当,好歹我也学过几年物理,我知道你要说的是什么,我替你说了吧。说到运动,必须要有一个参照物,如果以你为参照物,那么你是静止的,我就是运动的。如果反过来以我为参照物,你就是运动的。对不对?你还真以为我是文盲啊,伽利略先生。”

伽利略:“未来人果然牛啊。那好吧,我们继续,现在假设你在一个没有窗户的船舱里面,完全看不到外面的情况,你有没有办法知道船是相对于我运动的还是静止的?”

你想了想:“你这个问题也难不倒我,如果船不是以匀速直线运动在开动的话,我很容易知道船是不是在开。如果船是加速的,我会感到有一股无形的力在把我向后推,如果船是减速的,我就会不由自主地往前踉跄。我天天坐地铁,对这种感觉太熟悉了。呃,你就不用问什么是地铁了,跟你解释不清,反正以此我就可以判断船是在加速还是在减速了。我说得没错吧?伽利略先生。”

伽利略:“完全正确。那如果船的加速度很小,你又是固定在座位上的,很难察觉到微小的推背感的时候,你该用什么办法来判断呢?”

你:“这个……让我想一下。有了,这也不难,我只要做一点力学实验就可以了,比如我用绳子挂一个小球,看这个小球是不是完全垂直的;或者,我把一个小球放在一张平稳的桌子上,我看小球会不会自动滚起来。通过很多的力学实验我都可以发现船的运动状态。”

伽利略:“回答得完全正确,确实不能小瞧你。这也就是说,如果船做的不是匀速直线运动的话,在船上的力学实验的结果会被改变,换句话说,力学规律会被改变。比如惯性定律、自由落体定律(自由落体的方向和加速度都有可能改变)等等。但是,如果现在假设船是在做着完美的匀速直线运动的话,你还能通过力学实验来知道船是否在运动吗?”

你:“那显然就不可能了,如果船舱里面没有窗户的话,我就根本不可能判断出我是静止的还是运动的,不论我做什么样的力学实验,我都无法知道。”

伽利略:“是的,也就是说,在匀速直线运动状态下面,所有的力学规律和你在静止的状态时都是完全一模一样的。况且,你也知道,没有什么所谓真正的静止,我们地球也是运动的,在地球上的每一个人哪怕站着不动,也在随着地球一起运动,运动不运动的关键在于怎么选取参照物。”

你:“我感觉,被你这么一说,静止和匀速直线运动这两个词好像失去了准确的意义,我根本无法定义自己到底是静止的还是在做着匀速直线运动,静止和运动永远都是相对的。”

伽利略:“你越来越接近真理了,没错,用我的话来说,静止和匀速直线运动这两个词的物理意义是相同的,或者说都是不精确的,我用了一个新的词来统一他们所描述的状态,这个词就是‘惯性系’。比如你站在岸上和你在一艘匀速直线运动的船舱里面做实验,在我眼里,你都是在一个惯性系里面做力学实验。我的相对性原理说的就是:在任何惯性系中,力学规律保持不变。”

你:“哦,原来说来说去就是这个啊,嗯,不难理解,我完全同意。”


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