伽利略相對性原理如果錯了，相對論怎麼辦？

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，船裏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，船裏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，可以推導出在相互作勻速直線運動的兩個坐標系中的兩套位置和時間坐標的變換關係，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坐標就等於你在火車上相對於某個物體的坐標加上那個物體相對於地面某處的坐標；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。

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發展、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，其坐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瞭，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歐拉）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兼容的。

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，它們之間的坐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。

事物有特殊性與普遍性原則，有些原理只能適用於某一特定條件，伽利略速度相加法則在火車與火車上的人時是錯誤的。（一輛火車和一個人，人坐在火車上，火車從靜止逐漸加速到速度v1，然後再勻速行駛，這時人在以v2的速度在火車上移動，那麼人相對於地面的速度就是v1+v2。這就是伽利略速度相加法則）摘自對光速不變原理的理解。例如一列火車以每小時70公里的速度作勻速運動，在火車上有人坐在車尾，有人坐在車頭，在火車上所有人都隨著火車每小時70公里運動，在火車中的人不管如何位置變動，都是在火車中，有人從車尾向車鬥以每小時5公里速度作勻速運動，（5公里都走出車箱了，人在火車運動屬於火車內部運動）火車與人速度相加等於每小時75公里，將從車尾向車頭運動的人改成，由車頭向車尾運動，兩速度相加－5十70＝65公里，這與火車每小時70公里的勻速行駛事實不合。人在火車中無論怎樣運動，都無法超出火車的運動。都無法改變火車的運動速度，人在火車中運動巳被包含在火車的運動之中，火車運動速度不能與人在火車中運動速度相加。理由1：火車停在車站，有人在火車中走來走去，都不能使火車發生運動，火車作為運動的主體，人坐在火車上附屬於火車，是跟隨著火車運動，燈光也一樣，雖然光有光速，但停在車站的火車，打開所有燈火，也不能使火車發生運動。火車的運動與人在火車上的運動，以及燈光的光速運動無關，因此火車運動速度不能與人在火車上的運動速度相加，也不能與燈光的光速相加，火車的運動與人在火車中的運動以及燈光的光速運動沒有關係。理由2：人在火車中運動屬於火車內部運動。例如一個人，在人體內部存在細胞運動，當人運動時，有的細胞在體內與人同向運動，也有細胞反向運動，細胞運動是人體中內部運動，不能夠與人的運動相加減。人在火車上已經是屬於火車的部分，火車在地上運動巳包括人在內。人在行駛的火車上，他的運動範疇已受火車所限制，只能在火車上運動，不能在地面運動，失去與地面的聯繫，失去與地面的對應關係，只有下車後才與地面發生聯繫。例如地球自轉的速度不能與火車的速度相加減。

人在火車中運動屬於火車內部運動。例如一個人，在人體內部存在細胞運動，當人運動時，有的細胞在體內與人同向運動，也有細胞反向運動，細胞運動是人體中內部運動，不能夠與人的運動相加減。人在火車上已經是屬於火車的部分，火車在地上運動巳包括人在內。人在行駛的火車上，他的運動範疇已受火車所限制，只能在火車上運動，不能在地面運動，失去與地面的聯繫，失去與地面的對應關係，只有下車後才與地面發生聯繫。例如地球自轉的速度不能與火車的速度相加減。人的運動也不能與激光運動相加。

例題：一列火車長100米，以每小時70公里的勻速行駛，在火車上有人從車尾向車頭以每小時5公里的勻速運動。問題1、在火車上人每小時5公里勻速運動能否與火車每小時70公里勻速運動相加？問題2、有人從車頭向車尾反向運動，反向的人每小時5公里勻速運動能否與火車每小時70公里勻速運動相加？問題1答：火車車尾用a表示，車頭用b表示。a一?100米?一b。火車帶動由a一?100米?一b一段區間運動。我們取一小時為單位，一小時運動距離等於70公里。 A一?A到B計70公里?一（a一?100米?一b）B。我們知道火車行駛1小時已在70公里B處。我們將人在火車上每小時5公里勻速運動與火車每小時70公里勻速運動相加，5+70=75公里。丨A一?A到B計70公里?一（a一?100米?一b）B丨+5公里計算人已在此處，這是在火車之外，而人在火車中不能超出火車，所以人在火車上運動速度與火車速度相加不能成立。伽利略是科學家，他的速度相加法則是物理學部分，為什麼會錯呢？因為他的視點只停留在事物的某一局部現象，這和相對論一樣在車上觀察事物，沒有離開火車，將整個火車和火車上的人與事物，大地全部納入視野，沒有達到對事物的全體，內部，本質的規律認識。