我们为什么感受不到地球在运动

Lee Smolin　李·斯莫林

加拿大圆周理论物理研究所物理学家，著有《时间重生》。

我所心仪的科学阐释是惯性原理。它解释了我们为什么感觉不到地球在运动。这条原理或许是所有科学中最为违反直觉和具有革命性的一条。惯性原理是由伽利略和笛卡尔提出的，几个世纪以来，它都是物理学中数不胜数成功阐释的核心。惯性原理对一个极为简单的问题进行了回答：在没有外部或外力影响其运动的情况下，物体在自由状态下会如何运动？

为了回答这个问题，我们需要定义运动。物体在运动时表达了什么含义？现代的概念是，运动要通过某个观察者来描述。

考虑一个相对于你是静止的物体，譬如睡在你膝盖上的一只猫，想象通过其他观察者的眼中，猫是如何运动的。这取决于观察者是如何运动的，猫看上去可以用任何一种方式进行运动。假如那个观察者相对于你在打转，那么那只猫在观察者的眼中就是在打转。因此，要弄清楚自由物体是如何运动的问题，还需要参照某一个特定类别的观察者。这个问题的答案如下所示：

有一类特殊的观察者，相对于他们，所有的自由物体会保持静止或以匀速沿直线运动。

上述所说的就是惯性原理。

其威力在于它具有完全的普遍性。只要某个特殊的观察者看到某个自由物体做匀速直线运动，那么他所看到的所有其他自由物体也都会如此运动。除此之外，设想你是一个特殊的观察者，任何相对于你做匀速直线运动的观察者，也会看到自由物体相对于他在做匀速直线运动。这样的特殊观察者形成了一大类，其成员相对于其他成员都在做匀速运动。这些特殊的观察者被称为惯性观察者。

一个直接且重要的推论是，不动或静止没有绝对意义。物体对于某个惯性观察者是静止的，但其他惯性观察者会看到物体在运动——总是沿着直线做匀速运动。于是这可以归结为一个原理：

没有办法可以通过观察运动中的物体，在惯性观察者当中分辨出哪些观察者是静止的。

任何惯性观察者都可以振振有词地说，他是静止的，其他人是运动的。这就是伽利略的相对原理。该原理解释了为何地球转动时我们却感受不到。

为了理解这个原理曾具有的革命性，我们注意到16世纪的物理学家只是通过简单的观察，就可以反驳哥白尼的日心说：只要从塔顶丢下一颗球来就知道答案了。如果地球是按照哥白尼所要求的速度，一边绕着自己的地轴、一边是围绕太阳转，那么球掉下来的地方会远离塔，而不是落到塔底。但结果并不是这样的，所以地球是静止的。

但是这个证明假定运动是绝对的，根据一位静止的特别观察者的观察来定义，没有受力的物体最后会静止。通过改变运动的定义，伽利略认为，同样的实验还可以表明，地球事实上可能真的在运动着。

惯性原理是17世纪科学革命的核心，并且它还蕴含了随之而来的革命种子。想知道原因吗，请留意一下伽利略相对性原理声明中的限定语：“通过观察运动中的物体”。多年以来，人们认为总有一天我们会做出不同的观察，以此来决定哪些惯性观察者是真的在运动，又有哪些是真的静止的。爱因斯坦无非是移除了这个限定语，从而构建出了狭义相对论。其理论指出：

没有办法区分静止观察者和其他惯性观察者。

除此之外，在提出狭义相对论十年后，惯性原理成了下一个革命，广义相对论的种子。通过将“做匀速直线运动”这句话改为“在时空中沿着测地线运动”，相对论得以广义化。测地线是曲面几何中广义的直线，它是两点之间最短的距离。所以现在的惯性原理为：

有一类特殊的观察者，相对于此观察者，所有自由物体看起来都是沿着时空中的测地线而运动的。这些观察者在重力场中自由下落。

并因此有如下推论：

没有办法区分谁为自由下落的观察者。

这句话成为爱因斯坦的等效性原理，这是广义相对论的核心。

但惯性原理是真理吗？到目前为止，我们已经在一个粒子动能比其他质量高出11个数量级的情况下测试过该原理。结果令人印象深刻，但惯性原理还是存在着很大失败的可能性，只有实验能告诉我们，未来科学革命的核心是惯性原理还是惯性原理的失败。

但无论出现何种结果，惯性原理都是科学里唯一能完好无损的常青树，它能在如此宏大的范围内被证明行之有效，并且能激发出诸多革命性的科学阐释。

注：本文作者李·斯莫林的《时间重生》已由湛庐文化策划，浙江人民出版社出版。