为什么我们感觉不到地球在转动？
很多⼈害怕坐⻜机，尤其在起⻜时会感到很紧张。⽽我⾯临的问题与他们不尽相同：我的压⼒来源于担⼼错过航班，哪怕及时上了⻜机，我也会在临近起⻜时因紧张过度⽽陷⼊沉睡，半⼩时后醒来的我常常搞不清楚⻜机是仍然停在跑道上还是已经在⻜往洛杉矶的途中。关键问题是，我们⽆法在⻜机内部判断⻜机是否在移动。
当然，如果⻜机正处于爬升或下降阶段，就很容易感觉出来；但当它在空中平稳地⻜⾏时，这种运动是很难被察觉出来的。伽利略是第⼀个明确提出这⼀问题的⼈，并指出只能在有参照物的情况下对均匀的速度进⾏测量。例如，汽⻋仪表盘上显示的速度是汽⻋相对于道路的运动速度，⻜机的速度是它相对于地⾯或空⽓的运动速度。
虽然物理学家很早以前就已经确定匀速运动只是相对的，但仍有⼀些⼈想知道，当地球绕太阳公转并随之在银河系中运动时，其速度有多快。我们感觉不到这种运动，但我们的确在空间中穿⾏，这意味着如果以我们⾃身为参照物，空间正在不断地穿过我们的身体，我们却意识不到这⼀点。那么，空间的运动速度是多少呢？每秒有多少升空间在我们毫⽆察觉的情况下穿过了我们的身体？
在伽利略指出参照物的问题之后，⼈们认识到似乎没有任何物质设备能对空间的匀速运动进⾏测量。我们甚⾄⽆法将⼿伸⼊周遭的虚空去探测空间掠过时的“⽓流”。那么，有没有什么⾮物质的测量⽅法呢？19世纪末，⼀种新的可能性出现了：也许我们可以借助光来测量地球在空间中的运动速度？当时的物理学家想象空间中充满了⼀种幽灵般的果冻状物质，并称之为“以太”，他们把光波看作以太中以特定速度（光速）传播的振动。
物理学家发明了各式各样的光学仪器，试图测量地球在以太中的运动速度。经过⼏年的努⼒，他们得出的结果竟然是0。这⼀结果表明，地球在空间（以太）中根本就没有移动！这显然是讲不通的。伽利略的匀速运动相对性原理和光以固定速度传播的理论之间存在着明显的⽭盾，必须有⼈站出来对空间、时间和运动的本质以及光的性质重新进⾏评估。爱因斯坦接受了这
个挑战，并在1905年发表了他的第⼀篇有关相对论的著名论⽂后声名鹊起。
爱因斯坦驳斥了以太的概念，宣称光速恒定不变，但测量光速的观察者处于运动之中。与此同时，他重申了伽利略的⽴场，认定匀速运动总是相对于其他物体⽽⾔的。他指出，探究物体相对于空间的运动速度⾮但是不可能完成的任务，⽽且毫⽆意义。这⼀切都很顺利，但对⾮匀速运动（存在加速度的运动）⽽⾔，情况⼜如何呢？
我们可以毫不费⼒地测量这种运动，⽐如，如果我的咖啡因为⻜机遇上⽓流⽽泼洒出来，我⽆须看向舷窗外就能感知到⻜机在空中的匀速运动受到了⼲扰。加速度就是速度的变化，我们可以感知到它的发⽣。如果你在开⻋的时候猛踩刹⻋，你的身体就会向前倾斜；如果你猛拉⼀把⽅向盘，你的身体就会狼狈地撞在⻋⻔上。这两个都是加速度的例证，前者是速率的改变，后者则是⽅向的改变。
以固定不变的速度旋转也会产⽣加速度，⽜顿举过⼀个相关的例⼦：⽔在⼀个旋转的桶中会形成旋涡，中间低、四周⾼。我们通常将这个现象归因于离⼼⼒。要回答“⽔桶是否在旋转？”的问题，只需观察⽔⾯是否平静就能⽴刻得到答案，⽽⽆须确认它是否存在相对于地⾯的运动。这个例⼦让⽜顿想到，转动和加速运动并不需要以其他物质系统为参照物就能进⾏测量，这些运动是绝对的。
⼀⾔以蔽之，加速度是相对于绝对空间（absolute space）本身的。但并⾮⼈⼈都同意他的观点，直到20世纪还有⼀些科学家认为，哪怕是转动，我们也必须将其理解为相对运动。那么，参照物是什么呢？以前的物理学家常会说是相对于“固定的恒星”。然⽽，恒星并不是永恒不变的，它们只是距离我们太远了，以⾄于我们忽略了它们的运动。也许更好的说法是：转动是相对于宇宙中的遥远天体⽽⾔的。
为了更好地理解这句话，你可以想象⾃⼰正闭着眼睛坐在游乐场的⼤摆锤上，并随之以⾮常快的速度转着圈。现在睁开眼睛向上看，你会看到什么？你看⻅了旋转的恒星。当恒星停⽌旋转的时候，你就会知道这趟⼤摆锤冒险之旅终于结束了，赶紧解开安全带下来吧！这种⽇常⽣活中的体验让⼀些⼈将遥远的恒星视为加速度的体验感的来源，其中最著名的就是奥地利物理学家、哲学家恩斯特·⻢赫。
没错，那个⽤于描述⻜机速度的单位就是以他的名字命名的。⻢赫说，你之所以会在游乐场的旋转座椅上感觉到⾃⼰被拉向座椅的边缘，或在电梯突然下降时感觉到胃⾥翻江倒海，都是因为恒星在牵拉着你。这是⼀个令⼈⼊迷的理论，现在我们称之为⻢赫原理。很多⼈都对它⼗分追捧，其中就包括爱因斯坦，他认为并⾮只有匀速运动是相对的，所有运动都是相对的。
爱因斯坦希望能将⻢赫原理融⼊他的⼴义相对论，他认为所有遥远的恒星和星系的作⽤加在⼀起会在局部产⽣可探测的效应，离⼼⼒就是其中⼀种。有史以来最美的理论
⼴义相对论被誉为⼈类智⼒的最⾼成就，它既是⼀个科学理论，也是⼀件精美绝伦的艺术品。它⽤⼀系列⽅程巧妙地将空间、时间、物质和⼒结合在⼀起。
与许多⾃下⽽上的物理理论不同，⼴义相对论源于⼀些极为宏⼤的原理，⽐如，所有物理性质必须从⽤于描述它们的指标中独⽴出来。物体的⼏何结构是由空间中物质和能量的排列⽅式决定的。⽜顿提出的引⼒并不是⼀种具体的东⻄，真实存在的只有不断演化、永不停歇的⼏何结构，物质在其中翻腾，光穿⾏其间。
⽜顿的稍显呆板的“绝对虚空”（immutable void）概念被空间的概念取代：空间是⼀种充满活⼒的动态实体，它可以伸展、收缩、扭转、弯曲、脉动和震颤，并且会以振动的形式将能量传递的波动以光速向全宇宙传播。⼴义相对论到⽬前为⽌是⽆懈可击的，即使在爱因斯坦创建这⼀杰出理论100年后的今天，也没有出现任何与之相⽭盾的观测结果。很遗憾，这项⼯作最终没有成功。
爱因斯坦的⼴义相对论预测，如果⼀颗⾏星在真空中⾃转，即便我们不参照任何“固定的恒星”来测量它的运动，它的⾚道也会像地球⼀样因⾃转⽽隆起。爱因斯坦的理论是截⾄⽬前对引⼒最确切的描述，在转动的问题上，它证实了⽜顿的观点，即转动是绝对的⽽不是相对的。虽然我们⽆法就空间的速度进⾏有意义的讨论，但讨论真空中物体的加速度仍然是有价值的。然⽽，这还不是这个问题的全貌。
⼀些物理学家和宇宙学家正在尝试修补⻢赫原理的⼀些更微妙的⽅程式，这⼀难题⽬前尚未解决。事实上，我的许多同事有时会像⽜顿那样将空间想象成某种东⻄，有时⼜会将空间视为⼀⽚虚⽆。⻢赫原理的魅⼒在于，它将⼈类的⽇常⽣活（⽐如跟随⼤摆锤体验旋转的感觉）和宇宙的结构联系在⼀起。诗⼈弗朗⻄斯·汤普森⽤诗句赞颂了这种美好的关联：万物神创，或近或远；朦胧神秘，彼此相连；⼀花既拈，万星睒闪。作者简介
理论物理学家、天体⽣物学家保罗·戴维斯（Paul Davies，1946-）是亚利桑那州⽴⼤学科学基本概念超越中⼼主任，主持搜寻地外⽂明计划（SETI）后探测任务⼩组。
他也是科学作家，撰写20余本著作，包括God and the New Physics, The Mind of God, The Last Three Minutes, About Time: Einstein's Unfinished Revolution, How to Build a Time Machine等。转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所⽴场
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来源：返朴
编辑：just_iu
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