伽利略的天才想法   

只要一提起相对论,我们就会想到伟大的爱因斯坦,不过,这个概念不是他首创的。伽利略是相对论概念的奠基人,他在17世纪30年代提出的一些想法成为了相对论的重要基础,不过在当时,这些想法震惊了许多人。

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破冰者

倒一杯饮料,在里面放一块冰。把杯子放在桌子上,然后观察那块冰。如果有可能的话,观察一下平稳飞行中冰的状态。再看一下当飞机遇上气流,或加速转弯时,冰又会发生什么变化。

在没有加速的平稳飞行中,冰一动不动地浮在杯面上,好似被放在了地上一样。在这种情况下,如果拉下遮光板,你会觉得自己根本就不在飞行中。你没法在机舱里捣鼓那些能证明你是在运动中的物理实验。这种平稳会让我们错以为自己在陆地上。这就是伽利略天才的想法。他通过一艘平稳行驶的船来说明了他的想法,道理是一样的。

当飞机经过气流或加速时(转向也是加速的一种),那种我们习以为常的平稳状态瞬间就被打破了。冰摇摆起来,我们开始上下颠簸,左右摇摆,这一切都提醒着我们,飞机正在运动。

伽利略认识到任何运动都是以其他参照物为前提的。如果两个物体以相同的速度运动,对于它们彼此来说,另一个物体都是相对静止的。如果你看见附近还有一架飞机,若它的飞行速度与你相同,而且也朝着同一方向飞去,在你看来,这架飞机就是静止的。不过,这不仅仅只是视觉上的问题——如果以你的飞机为参照物的话,这架飞机就是静止的。假设两架飞机能挨得足够近,你甚至能轻松地登上另一架飞机,完全察觉不出它们是处于运动状态的。

对于伽利略来说,这个认识非常重要,因为它有力地支持了哥白尼提出的太阳中心说(地球绕着太阳运动)。自古希腊起,人们就认为地球不会转动,它静止地悬挂在宇宙中心,而太阳(和其他所有的星球)则围绕着地球旋转。在伽利略的时代,人们否认地球是处于运动状态的,普遍的观点认为如果地球在动,那些没有被固定在地面上的物体肯定会被甩出地球。当然,这种观点是错误的,从我们的角度来说,地球的确是不动的。因为,我们所有人都随着地球旋转的速度与它一起运动着(除非,例如我们坐在飞机上)。

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追赶

让我们来重现伽利略的那个实验,它曾使那些不了解相对论的人感到大为震惊。意大利皮耶迪卢科湖上,某艘船上正在举行一场聚会,船在六个桨工的卖力划动中前行。伽利略询问他的朋友斯达路堤是否随身携带了一些较重的物体。斯达路堤拿出了一把很重的钥匙,显然,这是一把十分重要的而且无法复制的钥匙。伽利略用尽全力将这把钥匙笔直抛向空中,此举让朋友大吃一惊。斯达路堤觉得,船向前行进,钥匙一定会掉入湖中,他惶恐地不知所措,差一点就要跳进水里。

在拥挤的机舱内将钥匙抛过头顶不是一个好主意。你最好搓一团纸球来做这个实验——最好移步至开阔区域,远离其他乘客和空乘,并尽量将物体笔直上抛。如果伽利略的朋友在场,他一定认为纸球会向后落在地上,因为飞机被发动机推动向前,而纸球却没有。很显然,他的这种假设是不会发生的。

在伽利略所处的那个年代之前,人们觉得物体在推动下才会运动(或者在重力和浮力的作用下)。显然,球(或钥匙)被抛出之前它是与你同时运动的(钥匙是与伽利略一起的)。然而接下来,按照人们过去的认识,这种推力在抛出的瞬间消失了,因此物体就会落在后面。现实中,如果你垂直将球抛起,球一定能落回你手中,你与球之间没有相对运动,也不存在那个能使球发生相对于你位移的力。

我们想象一下就好了。试想你爬到了机翼上,手中还捏着那团纸,再一次笔直地将它上抛。这一次会发生什么呢?这一次,纸球会被甩在后面。不过这是因为相对于空气来说,飞机的速度很快。从你的角度来说,你坐在机翼上,飞机是静止的,而空气则高速向后运动。向后运动的空气会与纸球接触,上亿个高速运动的空气分子与纸球发生撞击,将纸球推向后方。为了避免这个问题,伽利略选择了一把很重的钥匙。

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