他最杰出的洞察力——伽利略的相對性原理——并沒有被現(xiàn)代相對論所否定；它不僅沒有錯，實際上還可以用來推導(dǎo)出愛因斯坦的狹義相對論，而且?guī)缀醪恍枰僭O(shè)其他條件。人們經(jīng)常說愛因斯坦的狹義相對論否定了伽利略和牛頓的工作。你可能也聽說過，在愛因斯坦的狹義相對論中，光速是絕對的，是一個常數(shù)，在所有慣性參考系中都是同一個值。它在廣義相對論中保持這種絕對性，但只是在局部意義上。我最近讀了一篇關(guān)于愛因斯坦為什么假設(shè)光速是恒定的科學(xué)史論。我不是一個科學(xué)史學(xué)家，但我對相對論的基礎(chǔ)知識有相當(dāng)深入的理解，我認為這篇文章對愛因斯坦的思考方式是一個很好的歷史回顧。愛因斯坦對麥克斯韋的電動力學(xué)情有獨鐘。麥克斯韋方程提出了一種用電靜力學(xué)和磁靜力學(xué)中的更基本物理常數(shù)來表達光速的方法。麥克斯韋的電動力學(xué)并沒有在愛因斯坦的大學(xué)物理課程中教授，他對這一缺失感到特別遺憾。他認為麥克斯韋的理論非常美，因此他簡單地提出了這樣一個問題：- 麥克斯韋方程在所有慣性參考系中保持其形式，那么相對論的方程將會是什么樣子？
而答案，當(dāng)然是狹義相對論的洛倫茲變換（Lorentz transformations）。物理迷通常會經(jīng)歷一個對麥克斯韋的理論和方程著迷的階段，所以我完全能理解這對年輕的愛因斯坦來說是一種智力上的滿足。但麥克斯韋理論和光速有什么特別之處呢？為什么光與宇宙的基本行為似乎有著如此密切的聯(lián)系？愛因斯坦的早期工作或許比它更加神秘。他將麥克斯韋理論的美視為唯一的正當(dāng)理由，這種基于理論美感的探索動力是否絕對必要，仍有待商榷。當(dāng)然，科學(xué)通常就是這樣，一個新的方向指引我們提出新的問題。實際上，我們根本不需要知道關(guān)于光的任何事情就可以推導(dǎo)出洛倫茲變換和狹義相對論的正確形式。我們可以假設(shè)，除了伽利略原理和一些關(guān)于宇宙的非常普遍的幾何屬性之外，幾乎不需要假設(shè)任何東西，這些屬性比麥克斯韋的理論和光現(xiàn)象要簡單得多，而且對于日常世界中的任何人來說，如果你仔細考慮它們，它們都是非常明顯的。光恰好具有這種特殊速度與光的行為和屬性有關(guān)，而不是光對于相對論來說是基本的。狹義相對論和神秘的常數(shù)c遠比光更為基本。愛因斯坦使光和麥克斯韋的理論成為他推導(dǎo)的中心，這是一個有效、有用且確實具有革命性的做法。但他也必須假設(shè)伽利略原理，這同樣是他理論的中心，結(jié)果表明，盡管愛因斯坦當(dāng)時并不理解這一點，麥克斯韋的電動力學(xué)理論對此完全是多余的。首位意識到狹義相對論可以基本上僅從伽利略的相對性假設(shè)中推導(dǎo)出來的人是弗拉基米爾·謝爾蓋耶維奇·伊格納托夫斯基（1875-1942），他在1910年的一系列論文中做到了這一點。通過這樣做，伊格納托夫斯基還指出了伽利略的錯誤所在。伽利略的錯誤不在于他關(guān)于純粹相對性的直覺，這是正確的，而在于他對時間本質(zhì)的默認假設(shè)，即所有觀察者測量的時間是相同的。這限制了太多東西，這就是為什么他認為他的原理只會導(dǎo)致熟悉的速度相加規(guī)則，在伽利略變換中，而不是真正導(dǎo)致洛倫茲變換的原因。當(dāng)然，在他的時代，這是一個完全合理的假設(shè)，在伽利略時代的文化背景下，人們普遍認為時間是絕對的、不變的，對所有觀察者而言都是相同的。我們無法確切知道誰最先提出這些想法，因為像赫爾曼·閔可夫斯基和亨利·龐加萊這樣的數(shù)學(xué)家當(dāng)時確實提出類似的想法，并沿著相同的線索探索。但無疑伊格納托夫斯基在他的洞察中是原創(chuàng)的，即使是與其他人獨立的。1910年和1911年探索類似路徑的其他研究者包括馬克斯·玻恩和保羅·埃倫費斯特。伊格納托夫斯基揭示了一個在相對論討論中往往未被充分闡明的細節(jié)。通常在相對論課程中會斷言，任何物體的相對速度都不可能超過光速c。然而，伊格納托夫斯基指出，在某些特定條件下，超過光速的現(xiàn)象是可能發(fā)生的，前提是這些速度不被用來傳遞信息。一個簡單的例子是，如果我們用激光指針照射月球，并迅速在一兩毫秒之內(nèi)掃過月球表面，光點在月球表面的移動速度將遠超光速。伽利略的相對性實際上定義了一整套洛倫茲變換，具有可能的常數(shù)c的不同值。他的失誤意是由于：他進一步的默認假設(shè)，即所有觀察者以相同的方式測量時間，意味著相對論的c參數(shù)被限制為無限大。上述聲明是毫無疑問的錯誤。它嚴(yán)重阻礙了對伽利略、愛因斯坦的相對論、牛頓以及所有現(xiàn)代力學(xué)的更深層理解。伽利略的原理和牛頓的第一定律不僅在現(xiàn)代廣義相對論中是有效的，而且實際上是核心。我喜歡將廣義相對論描述為對牛頓第一定律的“應(yīng)用說明”：它告訴我們?nèi)绾握业綉T性參考系，即牛頓第一定律成立的地方。這些框架通常也被稱為“自由落體”。首先，我要向偉大而謙遜的伽利略致以最深的敬意，隨后將探討他那充滿智慧的寓言是如何與現(xiàn)代物理學(xué)的框架相吻合的。因此，讓我們先從伽利略的原理開始。我敢于挑戰(zhàn)任何人，找到一種比伽利略自己在他的作品《對話》中通過“薩爾維亞蒂船的寓言”所述更加精準(zhǔn)、鮮活且充滿詩意的方式來闡述這個原理：將自己與一位朋友關(guān)在一艘大船的主艙室下面，那里有一些蒼蠅、蝴蝶和其他小型飛行動物。準(zhǔn)備一個裝有一些魚的大碗，掛起一個滴水入下方寬容器的瓶子。當(dāng)船靜止時，仔細觀察小動物以相同的速度向艙室的所有方向飛行。魚在所有方向上隨意游動；水滴落入下面的容器；向你的朋友扔?xùn)|西時，向任何一個方向扔去的力度都無需更大，距離相等；雙腳并攏跳躍，你會向每個方向跳過相等的距離。當(dāng)你仔細觀察所有這些事情（盡管無疑當(dāng)船靜止時一切都會這樣發(fā)生），讓船以你喜歡的任何速度前進，只要運動是均勻的，而不是這樣那樣波動的。你將發(fā)現(xiàn)所有提到的效果都沒有絲毫變化，也無法從其中任何一個判斷出船是在移動還是靜止。在跳躍時，你將在地板上跳過與之前相同的距離，即使船正在快速移動，你也不會朝船尾跳得比朝船頭跳得更遠，盡管在你空中的時間里，地板會朝著與你跳躍相反的方向移動。向你的伙伴扔?xùn)|西時，無論他位于船頭還是船尾的方向，你都無需用更多的力量讓它到達他那里，自己位于對面。水滴會像以前一樣落入下方的容器，不會朝船尾滴落，盡管在水滴在空中時船已經(jīng)跑了許多跨度。魚在它們的水中向碗的前部游動時不會比向后部更費力，并且會同樣輕松地向碗邊緣的任何地方放置的餌料游去。最后，蝴蝶和蒼蠅將繼續(xù)朝著每個方向隨意飛行，它們永遠不會因為累了而集中在船尾，好像累于跟上船的速度，它們在空中停留了很長時間而與船分離。如果燃燒一些香產(chǎn)生煙霧，會看到它以小云的形式上升，靜止不動，不會比朝向任何一邊更多地移動。所有這些效果的對應(yīng)原因是船的運動是船內(nèi)所有東西以及空氣共有的。這就是為什么我說你應(yīng)該在甲板下；因為如果這發(fā)生在開放的空氣中，空氣不會跟隨船的行駛路徑，一些提到的效果中會看到或多或少的差異。 沒有，原則上也不可能有任何實驗?zāi)軌驒z測到船相對于某些其他參考系的勻速運動，除非走上甲板并從遠處觀察，看到船相對于其他遠方（非局部）參考點（例如岬角和海岸線）在移動。首先，這個斷言表明，總有可能相對于任何混亂移動的參考系，通過適當(dāng)?shù)募铀傧鄬τ谀惝?dāng)前的參考系，創(chuàng)建一個參考框架，在這個參考系中伽利略的寓言可以成立。你總是可以調(diào)整你的運動，達到上述的靜止?fàn)顟B(tài)，其中你的身體感受不到任何明顯的力。這就是伽利略的天才之處——他正確地知道他生活在一個空氣阻力顯著的行星上，并問道：“在天堂里自由落體會是什么樣的，那里沒有空氣呢？擺脫空氣和大氣干擾的自由落體的本質(zhì)會是什么？”。他正確的猜測是，羽毛和保齡球會同時落下。在廣義相對論文本《引力》的開篇章節(jié)中，作者用以下充滿驚奇、欽佩和敬畏的詞語描述了伽利略從比薩斜塔進行的掉落實驗，對這一最簡單且最深刻的原則表示：……（常說）引力是一個巨大的謎團。扔下一塊石頭?？此湎?。聽到它撞擊的聲音。沒有人理解為什么。這是多么誤導(dǎo)人的陳述！關(guān)于下落的謎團？石頭除了落下還能做什么呢？落下是正常的。異常的是阻擋石頭落下的物體。如果有人想追尋一個“謎團，不要跟隨落石的軌跡。相反，看看撞擊點，問一問是什么力量將石頭從它自然的“世界線”上推開了。 - （ii）牛頓的第一定律聲明這個慣性系始終存在。這兩個斷言都是現(xiàn)代相對論力學(xué)的核心。它們是如此正確，以至于現(xiàn)代物理學(xué)離不開它們。
- （iii）廣義相對論只是自然的第三步：它向我們展示了如何定義慣性系，即時空中存在應(yīng)力能量分布的“薩爾維亞蒂的船”(直觀地說：主要漂浮在真空中的“東西”)。
伽利略的洞察力超越了他的時代，比物理學(xué)家們開始論述相對論的兩個世紀(jì)前，他就已經(jīng)深刻理解了相對論的精髓。他不僅擁有透徹的視野，更以其深厚的人格魅力——溫和、善良與高尚——贏得了后世的敬仰。伽利略，這位先驅(qū)，無疑是其時代的先知。
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