叨叨兩句，想看乾貨直接下一段。所謂成也風雲，敗也風雲，愛因斯坦基於伽利略相對性原理推匯出來新的相對論，反過來又證明了伽利略的相對性原理有問題。中國是人情社會，有時候沒必要非要強調非黑即白。伽利略是開山鼻祖，實驗派科學的創始人，如果沒有伽利略的相對論，愛因斯坦的《狹義相對論》就少一條基本原理。應該說《相對論》是相對性原理的一種延伸或擴充套件，伽利略的相對性原理仍然適用於宏觀低速狀態，恰恰我們生活在地球上，日常生活離光速太過遙遠，伽利略相對性原理足矣。

從文化的角度出發，科學對於大多數人本來就是“無用”的，主要是用來指導技術，而技術才是面對大眾的。1905年《狹義相對論》發表的時候，中國還處於清朝末期，如今的9年義務課本還是以伽利略與牛頓的經典物理為主，可見相對性原理是不能捨棄的。而100多年前的理論，對於現今的大部分人來還是難以理解的，就像牛頓力學也是經歷了幾百年的滄桑鉅變才慢慢普及，或許300年後，我們發現愛因斯坦的理論可能還需要修改。

言歸正傳，下面我們聊聊300年前的“相對論”，簡單說說和愛因斯坦相對“差”在哪。

科學源於古希臘哲學，柏拉圖式愛情中所說的柏拉圖就是古希臘哲學家，他有個很出色的學生，這人是亞歷山大大帝的老師——亞里士多德。哲學家亞里士多德拍腦門認為物體越重，下落的速度越快，比如同一高度落下，一個橘子和一塊磚頭，磚頭先著地。

西方人民就這麼渾渾噩噩的過了將近1800年，直到一個叫伽利略的走上斜塔，同時鬆手一大一小，兩個小球，同時落地，終結了這個愚蠢的思想。這也預示著科學正在從家裡苦思冥想的哲學走出來，成了“用事實說話”的實驗派。

有的時候總動手太累了，也要打個盹。有一天，打盹時，他夢見自己在一艘船上，這艘船開的飛快，好在很穩，沒有任何顛簸，夢中突然出現了亞里士多德的面孔把他驚醒了，由於還沒有完全清醒，他就喊著“快來人啊，我要下船”。

下人回答到：“大人，咱們不在船上呀”。

他回答到：“是不是船開太穩了，你們忘記自己在船上了？”

下人回答：“大人，我們真不在船上。”

伽利略頓時靈光一現：“亞里士多德真旺我呀，夢裡都給我送分來了。”

（以上故事純屬即興虛構，不會有雷同）

伽利略頓悟的事情很簡單，如果一個人在一個完全封閉、沒有窗戶的房間中，他無法分辨自己是在勻速行駛的船上，還是在靜止在地面的房間中。

即使他的拿手好戲扔球也失效了，比如說往上空中直上直下扔小球，小球會掉回你的手中，動船和靜止的房間會發生同樣的事情。

或者假設船速是10m/s，在房間中以20m/s的初速度扔出去一個小球，小球相對於船這個勻速直線運動的座標系老說，速度還是20m/s。如果是在靜止的操場上，20m/s扔出，相對於地面這個靜止得座標系，小球的速度也是20m/s，怎麼扔都沒用。

這個問題其實沒有多麼複雜，思考一下我們天天在地球上，地球公轉速度每秒約30公里，由於公轉軌道太大，地球每秒間的距離幾乎為直線，這不就非常接近勻速直線運動。我在地球上同樣感受不到地球在動，我們在地球上以10m/s奔跑，但我們的速度並非（30公里+10米）每秒。除非抬頭看看地球之外的世界，發現太陽、月亮、星星在動。

或者外面有人告訴我們，例如以靜止在岸邊的觀察者為座標系S，上面的像前拋球問題，在S看來小球的為船速20+球速10=30m/s，直上直下拋球在S看來，除了又直線上的速度，還有船賦予小球水平方向上的速度，即小球走的是斜線。

因此伽利略認定如果不跳出自己的座標系往外看，你單憑實驗無法區分運動和靜止。勻速直線運動和靜止沒有本質區別，速度都是相對的。這個就是最早的相對論，叫“伽利略的相對論”。

這個相對論的出現讓各路科學家頂禮膜拜，它賦予了人類一種信念，不管你的速度有多快，你的座標系都不特殊，因此它還有個小名，“不特殊論”，然而它卻被光速特殊對待了。

光速不變原理源於麥克斯韋方程中計算出來的光速為常數，並且在尋找光速的參照物時（光源論、以太論）失敗了，並且尋找以太的邁克爾遜莫雷實驗反而證明了以太不存在，因此光速成了絕對。

圖：邁克遜莫雷實驗

由此愛因斯坦把伽利略的相對性原理涵蓋的力學範圍擴充套件到了一切，換句話說愛因斯坦認為拋球之類的太OUT，無論是用光，還是任何你能所能到的方式，你都無法證明自己是靜止還是在勻速直線運動，這就是《狹義相對論》第一條假設，第二條就是光速不變原理。

圖：愛因斯坦說我廣義相對論都玩上火箭了，你的小船LOW爆了

推導過程不贅述，簡單說下理念，牛頓伽利略認為我們共用絕對時間，絕對空間，也就是絕對時空觀。愛因斯坦基於兩條假設的理論是時間和空間是不可分割的，時間推匯出來是相對的。通俗來說，如果我們同處於一個操場上，你靜止，我在操場上高速跑，那麼咱倆就處於不同的時空之中，我的時空時間流速要比你的慢，比如我跑一圈我自己計時花了1秒，你在旁邊計時，計時器顯示的是1分鐘，說一個不太恰當的比喻就像我們處於不同的世界之中。

伽利略的速度變換就是簡單的速度加減，比如小明和小紅速度分別為u和v"，他倆反向跑，相對速度就是u+v"。而狹義相對論需要先把不同時空中的速度換算成同一時空中的速度才能進行比較，下面為狹義相對論中的變換公式。

由於光速C很大，如果是我們日常生活中的速度代入進入，uv"/c^2無限接近於0，因此最後的結果還是u+v"，又回到了伽利略變換之中。

如果這個你能理解，你可以看一下，下面這個γ的公式。它叫洛倫茲因子，便於理解也可以稱之為修正因子，或者時空變換因子。

你會發現《狹義相對論》中的大量公式，實際上描述的是兩個不同時空的換算，而換算的方法就是乘上一個變換因子。

這麼理解的話，狹義相對論並沒有什麼難的，而且把我們日常生活中的速度帶入進去因子都約為1，於是m=m0，L=L0，t=t0。你看又回到了我們所認知的世界之中，伽利略計算即可，換句話說宏觀低速狀態，我們的時空是無比接近的，因此不會發生我坐了下高鐵就穿越到未來的事情。

伽利略錯了嗎？牛頓錯了嗎？文藝復興不走，他們帶領科學走出宗教與哲學，電磁學麥克斯韋尚未統一，以當時的科學與科技水平，光速難以企及，而愛因斯坦是站在巨人的肩膀上，其中也包括了伽利略，並且麥克斯韋光速恆定在前，邁克遜莫雷實驗在後，而以上你看到的所有公式皆由洛倫茲推匯出來的，愛因斯坦在於膽識與物理直覺，敢於打破舊的框架，建立一套新的體系。這就像是喬布斯，手機沒有任何一部分是蘋果創造的，但是整合起來的是蘋果的。

伽利略說：我們是同一時空的人，愛因斯坦說：我們處於不同的時空之中，僅此而已。

伽利略相對性原理它就不會錯、在低速領域裡、宏觀參照物下的相對性原理都是正確的！錯就錯在把它的適用範圍無條推廣、這才給愛因斯坦留下了絕佳機會！哪麼、相對論為什麼這麼歷害、這都是因為人類的科技不斷髮展、所涉及的領域和範圍不斷擴張、變化了的新層次不能用老的答案來解釋、於是、對比之下的相對性就成為解決這一矛盾的專屬名稱了！都是相對以前的結論比較而提出的！歷史證明、每一次科學危機如果不用相對性來救駕、科學將無法前進、這是人類科學無止境的追求精神所帶來的必然結果、並且今後的任何科學必將用相對論才能解決後續的任何科學問題、包括波爾的量子理論、最後都會修改成為量子因果性的相對性原理！

伽利略原理本來就不對，因此才會誕生相對論。如果伽利略原理嚴格成立，相對論一定是嚴格不成立。題主對伽利略相對性原理基本沒有理解，對狹義相對性原理也基本沒有理解，然後眉毛鬍子一把抓將兩個相對性原理混為一談。

伽利略相對性原理指牛頓力學定律在任何慣性參考系（慣性系）中數學形式不變。我們知道牛頓力學定律要想保持形式不變，其座標變換隻能是伽利略變換。伽利略變換和狹義相對論是天生不相容的，因此伽利略原理嚴格成立，狹義相對論嚴格不成立。所以，如果說伽利略原理錯了，那麼相對論會十分高興。雖然當代物理學教材說，伽利略變換是洛倫茲變換的低速近似，但是這種說法卻恰恰忽略了洛倫茲變換的低速近似並不是伽利略變換。

題主看到這裡可能會糊塗，為什麼說洛倫茲變換的低速近似不是伽利略變換呢？這需要回到上個世紀，愛因斯坦建立狹義相對論時候發現只要將速度調的足夠低，洛倫茲變換就能退化到伽利略變換。但是愛因斯坦過於自信，以致於他錯過了許多精彩的東西。那就是狹義相對論一旦量子化，洛倫茲變換就不再是僅僅只對時空具有約束力，對粒子本身也有約束力。英國物理學家狄拉克證明了，相對論性量子力學必含有一種以前理論物理學家都沒有注意的反倒是數學家（這裡僅僅指的是大數學家尤拉）注意的東西——自旋。自旋不滿足伽利略變換，它只滿足洛倫茲變換，但是自旋在低速情形下客觀存在！按照伽利略相對性原理，其量子化的產物並不包含自旋——自旋需要以唯象模型引入。這說明伽利略相對性原理和狹義相對性原理是天生不相容的。

除了自旋這一個反例外，還有一個反例。即便是低速，按照狹義相對論的洛倫茲變換，相距很遠的兩個相對運動（注意相對運動的速度是低速）的慣性參考系，它們之間的座標變換也不是伽利略變換。

此外，"物理大廈"這個名詞是十九世紀物理學家提出來的，但是二十世紀物理學的三次革命讓物理學大廈早已毀於一旦，現在只有零散的幾十個物理學小部門——彼此之間誰還看誰都不順眼。題主還停留在十九世紀，對當代物理學知之甚少，真是令人唏噓。

施鬱

（復旦大學物理學系教授）

相對性原理確實是伽利略發現的。 如果相對性原理錯了，那麼相對論當然也錯了，因為相對論的基本假設就是相對性原理和光速不變。

相對性原理是說，在某個靜止系統成立的所有物理定律在它作勻速運動時也成立。 一個例子是“舟行而人不覺”，就是說，在一條平穩勻速直線運動的船上，不看船外，船裡的人是無法知道船是靜止還是在勻速直線運動的（如果不是勻速直線運動，船裡的人是能夠感覺得到的）。伽利略在他的著作《關於兩個世界的對話》中，討論了這個問題。 在伽利略的時代，物理定律只是力學定律，後來愛因斯坦將它推廣到所有的物理定律，包含電磁學定律。

除了相對性原理，相對論的另一個基本假設是光速不變。由此，可以推匯出在相互作勻速直線運動的兩個座標系中的兩套位置和時間座標的變換關係，這叫做洛倫茲變換。這取代了所謂的伽利略變換。伽利略變換就是通常人們在日常生活中所用的變換。比如，在行駛的火車上，你在走動，那麼你相對於地面某處的位置座標就等於你在火車上相對於某個物體的座標加上那個物體相對於地面某處的座標；你相對於地面的速度等於你在火車上的速度加上火車相對於地面的速度。 這裡的一個關鍵是，火車參照系的時間與地面參照系的時間是沒有區分的。在相對論中，這一點被拋棄了。