相對性原理
我們的故事要從四百多年前開始講起。你可能會嘀咕，相對論不是一百年前的愛因斯坦發明的嗎，怎麼一下子就要多倒回去三百多年？知足吧，我已經比《生活大爆炸》中的謝耳朵好多了，他一講起物理，總是從古希臘開始說起。是的，為了讓你能充分領略人類在通往相對論這條道路上經歷過的蜿蜒曲折、峰迴路轉，我們必須回到這條路的起點。
現在請跟我一起回到16世紀末的意大利比薩，此時正值文藝復興後期，國富民強。文學、藝術、科學的春風從意大利席捲整個歐洲，空氣中瀰漫著新世紀即將到來的新鮮氣息（中國此時正值明朝萬曆年間）。在比薩大學的一間大教室裡，宮廷數學家奧斯提裡歐·利奇（Ostilio Ricci，1540-1603）正在講台上。講台下面坐得滿滿當當。利奇是聞名全國的著名數學家，一向只在皇宮中講課，他要來比薩大學的消息在幾個月前就已經傳遍了整所學校。醫學系的一個叫伽利略·伽利雷的學生起了個大早，終於搶到了最前排的好座位。
利奇開始講解數學的新進展——代數學，他用簡潔流暢的手法向大家展示了什麼是一元二次方程，並且給出了ax2+bx+c＝0通用解法的證明，進而開始講解因式分解的概念以及現場演算了（a+b）n的分解過程。
利奇熟練的演算和生動的講解博得了陣陣掌聲，他注意到坐在第一排的一個年輕學生自始至終都在聚精會神地聽講，臉上不時閃過興奮和滿足的表情。利奇一下子對這個學生產生了好感，講課的間隙利奇問道：「同學，你叫什麼名字？」
「伽利略。」
「哪個專業的？」
「我是醫學系的。」
「啊，真是了不起！」利奇讚歎道，「學醫學的也能對數學如此感興趣，你一定會成為一名偉大的醫生！」
伽利略的臉一下就紅了：「其實，先生，我不喜歡醫學，我更喜歡數學和物理。但是我的父親希望我能成為一名醫生，我為此感到十分苦惱。」
利奇說：「別洩氣，年輕人。你可以自學，大學很短暫而生活很長，追隨自己的興趣，你一定能成功的。不管什麼時候，你都可以來找我，我願意成為你的良師益友。」
伽利略受到了極大鼓舞，從此更是瘋狂地喜歡上了數學和物理，並且經常向利奇請教問題。
我們應該感謝利奇對伽利略的幫助，這雖然讓世界上少了一名醫生，卻催生了一位偉大的物理學家、天文學家和哲學家。
伽利略在力學和物體運動規律方面的貢獻是無與倫比的，是他打下了牛頓經典力學的基樁，而牛頓在這片基樁之上蓋起了足以讓後人仰視的經典力學大廈。
伽利略第一項最廣為人知的成就是提出了自由落體定律，這個定律說的是：如果不考慮空氣阻力的話，那麼任何物體的下落速度都是一樣的，且都是呈一個固定的加速度（這個加速度上過中學的人都知道，就是g≒9.8米/秒2）。
伽利略把類似自由落體定律這樣的現象和規律統稱為「力學規律」。
我們再來看一個伽利略發現的著名的「慣性定律」，其實這就是牛頓第一運動定律（當然，伽利略沒有像牛頓那樣精確地表述出來，因此這一定律的正式發現權仍然歸於牛頓）。伽利略發現這個定律，也是從一個思維實驗開始的，這個思維實驗具備非凡智慧。伽利略設想把一個小球放到一個U型管的一端，鬆手讓小球自由滑落，那麼這根U型管表面越光滑，小球在另一頭就上升得越高。伽利略假想如果能發明一種完全沒有阻力的材料，則小球應該能恰好在另一頭到達跟起點同樣的高度。這個現象就好像在一根繩子上掛一個小球做一個鐘擺，如果完全沒有空氣阻力的話，小球從一頭擺到另一頭的高度應該是完全相同的。
【圖2-1】小球從U型管一頭落下，應當滾到與起點相同的高度。
伽利略的這個思維實驗沒有停，他繼續往下想：好，現在假設找到了一種完美的材料，那麼我把U型管的另一端拉平，則小球從起點滑落後，為了能在終點達到和起點同樣的高度，它只能不停地，永遠地滾下去，不可能停下來。
【圖2-2】如果U型管的另一端是平的，小球就永遠不會停下來。
從這個思維實驗中，伽利略得出了關於運動的又一個力學規律，那就是在一個完美光滑的表面運動的物體，會保持這個運動的「慣性」，除非有外力阻止這個慣性，伽利略稱之為「慣性定律」。
我相信對於各位讀者來說，自由落體定律和慣性定律都是再熟悉不過的物理常識了，但是在四百多年前能有這樣的認識那可是大大的了不起。講到這裡，我就要拋出本章的重點了，那就是伽利略相對性原理。因為你通過上面的閱讀已經知道了什麼是力學規律，有了這個基礎，我們就可以繼續往下講了。
伽利略相對性原理：在任何慣性系中，力學規律保持不變。
「得，我剛理解了什麼是力學規律，你馬上又冒出『慣性系』這個專業術語。別賣關子好嗎？」邊上一位同學看我打出上面的黑體字後，忍不住開始鄙視我。
莫急，我這就開始解釋「慣性系」是什麼意思。
為此，我們來假想一個伽利略和你之間穿越時空的對話。
伽利略：「我想問你一個問題，怎麼區分靜止和運動？」
你：「這也叫問題？我開著法拉利一溜煙地從你身邊開過，我就是在運動，難道這有什麼不對？」
伽利略：「對不起，請問法拉利是誰？」
你：「哈，不好意思，忘記你是古人了，那我就不說法拉利了，我們說火車吧。」
伽利略：「火車？」
你（崩潰狀）：「你那個時代連火車也木有！！傷不起啊！想想也是，蒸汽機還沒發明，瓦特都沒出生，好吧，那我們說船總可以了吧，船你總知道吧？」
伽利略：「船，當然知道，你的意思是說如果你在開動的船上，我在岸上，那麼我就是靜止的，你就是運動的對嗎？」
你：「哈哈，我可不會上你的當，好歹我也學過幾年物理，我知道你要說的是什麼，我替你說了吧。說到運動，必須要有一個參照物，如果以你為參照物，那麼你是靜止的，我就是運動的。如果反過來以我為參照物，你就是運動的。對不對？你還真以為我是文盲啊，伽利略先生。」
伽利略：「未來人果然牛啊。那好吧，我們繼續，現在假設你在一個沒有窗戶的船艙裡面，完全看不到外面的情況，你有沒有辦法知道船相對於我是運動的還是靜止的？」
你（想了想）：「你這個問題也難不倒我，如果船不是以勻速直線運動在開動的話，我很容易知道船是不是在開。如果船是加速的，我會感到有一股無形的力在把我向後推，如果船是減速的，我就會不由自主地往前踉蹌。我天天坐地鐵，對這種感覺太熟悉了。呃，你就不用問什麼是地鐵了，跟你解釋不清，反正以此我就可以判斷船是在加速還是在減速了。我說得沒錯吧，伽利略先生？」
伽利略：「完全正確。那如果船的加速度很小，你又是固定在座位上的，很難察覺到微小的推背感的時候，你該用什麼辦法來判斷呢？」
你：「這個……讓我想一下。有了，這也不難，我只要做一點力學實驗就可以了，比如我用繩子掛一個小球，看這個小球是不是完全垂直的；或者，我把一個小球放在一張平穩的桌子上，看小球會不會自動滾起來。通過很多力學實驗我都可以發現船的運動狀態。」
伽利略：「回答得完全正確，確實不能小瞧你。這也就是說，如果船做的不是勻速直線運動的話，在船上的力學實驗結果會被改變，換句話說，力學規律會被改變，比如慣性定律、自由落體定律（自由落體的方向和加速度都有可能改變）等等。但是，如果現在假設船是在做著完美的勻速直線運動的話，你還能通過力學實驗來知道船是否在運動嗎？」
你：「那顯然就不可能了，如果船艙裡面沒有窗戶的話，我就根本不可能判斷出我是靜止的還是運動的，不論我做什麼樣的力學實驗，我都無法知道。」
伽利略：「是的，也就是說，在勻速直線運動狀態下面，所有的力學規律和你在靜止的狀態時都是完全一樣的。況且，你也知道，沒有什麼所謂真正的靜止，我們地球也是在運動的，在地球上的每一個人哪怕站著不動，也在隨著地球一起運動，運動不運動的關鍵在於怎麼選取參照物。」
你：「我感覺，被你這麼一說，靜止和勻速直線運動這兩個詞好像失去了準確的意義，我根本無法定義自己到底是靜止的還是在做著勻速直線運動，靜止和運動永遠都是相對的。」
伽利略：「你越來越接近真理了。沒錯，用我的話來說，靜止和勻速直線運動這兩個詞的物理意義是相同的，或者說都是不精確的，我用了一個新的詞來統一他們所描述的狀態，這個詞就是『慣性系』。不論你站在岸上做實驗，還是在一艘勻速直線運動的船艙裡做實驗，在我眼裡，你都是在一個慣性系裡做力學實驗。我的相對性原理說的就是：在任何慣性系中，力學規律保持不變。」
你：「哦，原來說來說去就是這個啊，嗯，不難理解，我完全同意。」
伽利略的相對性原理對於我們現代人來說，是相當好理解的。請大家千萬記住這個原理，在後面我們還會提到它，這個原理跟相對論的誕生可是有莫大的關係，同時請注意千萬別把伽利略的相對性原理當作是相對論了。