惯性的原理是什么?
相对论是20世纪物理学的一项辉煌成就,但它并不是爱因斯坦首创的。三个世纪以来,相对论原理一直是物理定律的基础,这通常归功于伽利略,但笛卡尔实际上给出了正确的表述。
在自然的研究中应用相对性原理,意味着我们可以合理地预期物理现象的表达,而不依赖于观察者的位置和运动。如果观察者得到的物理规律具有相同的形式,那么他们所取的参照系是等价的。
伽利略已经注意到两个人所做的观测的等价性:一个是在停靠在港口的船中,即相对于陆地静止,另一个是在以匀速直线离开港口的船中。每个人在1米的高度从舱内释放一个球,那么两个球都垂直下落,所经过的时间是0.45秒。
伽利略知道因为地球是圆的,所以离开港口的船只是在做圆周运动。受古代圆是完美的观念影响,他得出结论:圆周运动是物体的自然状态,与静止密不可分。笛卡尔也认识到匀速平移,即在无限长的直线上匀速运动,与静止是分不开的。现代人都有这种体验,坐在一辆停着的火车里,看着旁边一辆行驶的火车,会觉得自己的车在反方向行驶。
虽然这些现象很简单,但却包含着深刻的意义,因为它们表明静止和匀速运动之间没有区别。静止是惯性状态,等价的匀速运动也是惯性状态。
惯性原理可以表述为:自由物体,即不受任何力的物体,匀速运动。
地球本身几乎就是一个理想的惯性参考系,因为对于实验室的短期实验来说,地球绕太阳的自转可以近似地看成是以30公里/秒的匀速直线运动,考虑到地球的自转,可以通过选择指向遥远恒星的方向来建立地球的惯性系统。