为什么我们感觉不到地球在转动？

来源:中科院半导体所发布时间:2022-08-25742浏览

文章来源：《返朴》（ID：fanpu2019）

原文作者：Paul Davies

关于转动，没有那么简单。

撰文|保罗·戴维斯（Paul Davies）翻译|柏江竹
很多人害怕坐飞机，尤其在起飞时会感到很紧张。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，哪怕及时上了飞机，我也会在临近起飞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飞机是仍然停在跑道上还是已经在飞往洛杉矶的途中。
关键问题是，我们无法在飞机内部判断飞机是否在移动。当然，如果飞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飞行时，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，汽车仪表盘上显示的速度是汽车相对于道路的运动速度，飞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，如果我的咖啡因为飞机遇上气流而泼洒出来，我无须看向舷窗外就能感知到飞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。如果你在开车的时候猛踩刹车，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车门上。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？你看见了旋转的恒星。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·马赫。没错，那个用于描述飞机速度的单位就是以他的名字命名的。马赫说，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，现在我们称之为马赫原理。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。爱因斯坦希望能将马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西，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马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西，有时又会将空间视为一片虚无。马赫原理的魅力在于，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。诗人弗朗西斯·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。

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