提到“相對論”，大多數人首先想到的，肯定是愛因斯坦。的確，他在1905年提出的狹義相對論和1915年提出的廣義相對論，徹底顛覆了我們對宇宙的認知。

在愛因斯坦之前，人們普遍認為時間和空間是絕對的，就像一把永恒不變的尺子，無論你身處何地，以何種方式運動，時間流逝的速度、兩點之間的距離、物體的物理尺寸，都是恒定不變的。

直到愛因斯坦的出現，人們才意識到，即使是空間和時間這樣的量，也并非絕對，而是相對于觀察者的視角而存在。

然而，相對論的概念并非由愛因斯坦首創。

事實上，相對論的起源可以追溯到近400年前，它是由一位在牛頓運動定律出現之前，就癡迷于研究物體運動行為的科學家提出的——伽利略·伽利雷。在伽利略的時代，相對論關注的不是空間或時間，而是一個更為簡單的概念：運動的可檢測性。

他思考的是以下兩種情境有何區別：

• 一個人處于一個封閉的房間內，沒有窗戶可以看到外界，而這個房間相對于周圍的一切是絕對靜止的；
• 另一個人處于一個相同的封閉房間內，同樣沒有窗戶，但這個房間相對于外部世界以恒定不變的速度向某個方向運動。

伽利略的偉大發現，被稱為相對性原理，就是這兩種情況之間根本沒有區別。

這一核心物理學原理，首次于1632年被記錄下來，至今仍然適用，未曾改變。

伽利略的思考過程

伽利略對相對性原理的思考過程既簡單又深刻。

他對運動進行了多方面的探究，其最著名的發現可能是關于天體運動的。他熟悉哥白尼的理論，并傾向于日心說，認為地球只是繞太陽運行的普通行星之一，與水星、金星、火星、木星和土星一樣。

然而，當談到地球天空中物體的日常運動時，伽利略注意到有兩種可能的解釋，可以解釋為什么太陽總是從東方升起，經過頭頂，然后在西方落下：

• 整個天空以及其中的所有物體都在頭頂旋轉，而地球在下方保持靜止。
• 天空本身是靜止的，實際上是地球自身在運動：繞其軸心旋轉，這給地球上的觀察者造成了“旋轉的天空”的假象。

伽利略指出，沒有任何一種在地球上可以進行的實驗能讓人區分這兩種情況。無論地球本身是靜止的，還是以每天一圈的速度快速自轉，僅僅通過身處地球，地球上的人是無法分辨的。

比薩斜塔的實驗

考慮伽利略的著名（雖然可能是傳說中的）實驗：從比薩斜塔上投下球體。

如果地球是靜止的，預測結果很簡單：伽利略站在塔頂，手持一個球，而塔則固定在靜止的地球上。當伽利略松手時，球會筆直下落，其水平位置永遠不會偏離其初始位置；只有垂直位置會隨著伽利略松手并在重力作用下下落而改變。

但如果地球在旋轉會發生什么呢？

你可能會認為，如果地球繞其軸心旋轉，那么當伽利略投下這個球時，球會自由下落，而塔——因為與地球相連——會隨地球一起旋轉。如果是這樣，或許：

• 球會筆直下落，沿著直線朝地球中心落下，
• 而塔會繼續隨地球旋轉，
• 這將導致球以地球旋轉的速率與塔“分離”。

注意到地球是一個周長約40,000公里的球體，每24小時旋轉一次，而比薩塔位于赤道和北極之間的大約中間位置，很容易計算出相對于地球中心，塔本身以約每秒330米的速度運動。

由于一個從（55米高的）塔上投下的球需要一點超過3秒才能落地，球似乎筆直下落而不是最終落在1000多米外的事實，你可能會傾向于認為這個實驗證明了地球不在旋轉。

相對思考

伽利略的許多同時代人正是以這種方式思考的。

了解到地球是一個周長已被精確測量的球體，他們可以計算出如果我們確實在自轉，那么地球以及地球上的一切事物會以什么速率移動。

他們推斷，一旦伽利略松開那個球，球就會被迫落向地球表面：筆直下落，因此旋轉的地球應該會使塔離開球。由于沒有觀察到這種現象，這意味著（對他們而言）地球不可能在旋轉。

但伽利略以不同的方式思考：以相對于彼此的術語。當然，塔可能相對于地球中心以約每秒330米的速度移動，但這個問題中的其他一切也是如此：

• 比薩的地面，
• 塔，
• 站在塔頂的伽利略，
• 周圍的大氣，
• 以及伽利略手中的球。

當伽利略松開這個球時，它保留了關于地球表面原始運動的記憶；當伽利略松開時，沒有什么會影響或改變它，所以它根本不會與塔“分離”。

相反，它只是筆直下落。實際上，唯一可能被探測到的差異是，由于塔固定在旋轉的地球上，隨著地球旋轉，塔的“頂部”比“底部”移動得稍快一些，因為它在地球周圍劃出了略大的圓圈。

球一旦被投下，相對于塔底的相對運動將是微小的——總共約1.5毫米，或者說小到伽利略當時的技術無法測量的程度。

從比薩斜塔到海上船只

但他的下一個偉大洞見更進一步。伽利略認識到，他進行的實驗產生的結果完全不受所在房間是否處于恒定運動的影響。

當然，伽利略的時代可能沒有飛機、火車或汽車可供旅行，但有一種經常處于恒定運動的交通工具：船只。

伽利略認識到，他可以在船上進行這些實驗——讓球和圓柱體沿著斜坡滾下，就像他在地球表面一樣容易，并且無法從實驗結果判斷出船是安全地停靠在岸邊，還是在移動，被海流帶動。

事實上，這正是伽利略在1632年的著作《關于兩大世界體系的對話》中考慮的情況，他寫道：

“帶上一些朋友關閉在大船的主艙底層... 在平穩航行的船上艙底的人無法確定船是否在移動，或者如果在移動，移動的速度是多少。”

這一關鍵洞見——處于恒定運動中的人除了通過與外部世界的比較外，沒有任何物理證據表明他們正在運動——是相對性原理的核心。

從伽利略到愛因斯坦：相對論的演變

伽利略相對論告訴我們，“位置”或“距離”以及“速度”等量并不是所有人都認同的絕對量。如果伽利略在一艘船上讓球和圓柱體沿著斜坡滾下，而那艘船在海上運動，那么：

• 與伽利略一起在船上的人，
• 相對于伽利略的船靜止的浮標上的人，
• 或者相對于伽利略的船在運動的另一艘船上的人，

他們在任何和所有時刻對于斜坡上滾動的球和圓柱體的位置和速度的測量都會不同。

然而，盡管他們的測量彼此不同，但沒有人是錯的。

這些測量都彼此一致，并且假設所有這些船只和觀察者都處于恒定、不變（即非加速）運動中，他們都會對諸如“地球重力產生的加速度是多少”和“沿著斜坡刺激連續的弦之間經過了多少時間”等問題得出相同的結論。

在伽利略相對論中，位置和速度都取決于觀察者的運動，但其他量，如兩點之間的距離、兩個事件之間的時間或重力加速度，仍然是不變的。

令人驚訝的是，盡管自那時以來我們在物理學領域取得了所有進展，包括：

• 牛頓萬有引力定律的出現，
• 電磁學的發現，
• 狹義和廣義相對論的進步，
• 量子力學和量子場論的革命，

伽利略1632年關于相對性的陳述——所有處于恒定運動（或靜止）中的觀察者都經歷相同的現實規律和規則——在今天仍然正確。

以392年（并繼續增加）計，它可以說是最古老的物理原理，在其原始、不變的形式下至今仍然正確。

相對論的現代演變

然而，重要的是要認識到，在此期間，相對論的三個主要方面確實發生了變化。

前兩個是在19世紀末被發現的，并在1905年被愛因斯坦奠定了堅實的基礎：即“距離”和“時間”不是觀察者之間普遍認同的絕對量，而是這些也會根據觀察者之間的相對運動而變化。

觀察者確實普遍認同的量包括光速和稱為時空（或愛因斯坦）間隔的量，但“長度”和“持續時間”等也是相對的。

第三個，也可能是最深刻的修改，是我們所理解的“加速度”也不是所有觀察者都認同的常數，而是任何推力或施加力的組合效果以及時空曲率的下游結果，時空曲率是我們體驗為引力的根本原因。

距離（或長度）和時間（或持續時間）不僅受到觀察者和物體相對于彼此的運動的影響，還受到時空曲率的影響，而時空曲率本身由整個宇宙中物質和能量的分布決定。

體驗相對性：日常生活中的實驗

有一個有趣的實驗，你甚至可以作為孩子來親身體驗：在封閉的電梯內，從靜止狀態盡可能高地跳起。

如果你在電梯靜止時這樣做，你會達到離地板的最大高度，并且（對大多數人來說）大約1秒后落下。如果你在電梯向下移動（以恒定速度）或向上移動（以恒定速度）時這樣做，你會有與電梯靜止時完全相同的體驗。

但如果你選擇在以下情況跳躍：

• 電梯從靜止開始向上加速，
• 電梯從靜止開始向下加速，
• 電梯在向上移動時減速至靜止，
• 或者電梯在向下移動時減速至靜止，

你離地板的最大高度和你在空中停留的時間都會不同。（如果這樣做，小心不要撞到電梯頂部！）

愛因斯坦等效原理正是源于這種觀察：在地球表面經受向下加速度的人和在太空中駕駛加速火箭的人對物理實驗的觀察結果完全相同。

這兩個場景，在上圖中展示，導致愛因斯坦制定了現在被稱為他的等效原理。除非觀察外部世界，地球上封閉房間內的觀察者與太空中加速火箭內的觀察者無法區分哪種情況描述了他們的體驗。

結語：伽利略的遺產

今天，我們理解許多宇宙遵循的規律和規則不會因我們體驗它的位置和運動而改變。但相對性的起源，以及恒定運動和靜止是物理上無法區分的情境的概念，可以追溯到近400年前。

經過這些世紀，我們仍然應該感謝伽利略的貢獻。