中学物理笔记：伽利略相对性原理

惯性参考系是物理学中一个重要的基本概念。参考系这一概念是伽利略的贡献。伽利略用联系生活经验的方法来说明这一概念，即便在今天，阅读这段文字，对于我们理解参考系和惯性系，也是大有好处的。以下内容摘自：赵凯华《新概念高中物理读本》第一册第二章。

伽利略在《关于哥白尼和托勒玫两大世界体系的对话》一书中通过他的代言人萨尔维亚蒂的口讲了如下这段十分精辟而生动的论述。

把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里，再让你们带几只苍蝇、蝴蝶和其它其它小飞虫。舱内放一只大水碗，其中放几条鱼。然后，挂上一个水瓶，让水一滴一滴她滴到下而的一个宽口碗里。船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐子里，你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不比另一方向用更多的力，你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相等，当你仔细地观察这些事情后（虽然船停止时，事情无疑一定是这样发生的），再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化，你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。即使床运动的相当快，在跳跃时，你将和以前一样在床底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳上床头来的远，虽然你跳到空中时，脚下的床底板向着你跳的相反方向移动，你把不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在床头还是在床尾，只要你自己你站在对面，你也并不需要用更多的力。水滴将像先前一样，滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾，虽然水滴在空中时，船已行驶了许多拃。鱼在水中游向碗前部所用的力，不比游向水碗后部来得大，他们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。最后，蝴蝶和苍蝇将继续随便地到处飞行，他们也绝不会向船尾集中，并不因为他们可能长时间留在空中，脱离了船的运动，为赶上船的运动显出累的样子，如果点香冒烟，则将看到烟像一朵云一样向上升起，不向任何一边移动。所有这些一致的现象，其原因在于船的运动是船上一切事物所共有的，也是空气所共有的。这正是为什么我说，你应该在甲板下面的缘故；因为如果这实验是在露天进行，就不会跟上船的运动，那样上述某些现象就会发现或多或少的显著差别，毫无疑问，烟会同空气本身一样远远落在后面，至于苍蝇，蝴蝶，如果他们脱离船的运动有一段可观的距离，由于空气的阻力，就不能跟上船的运动。但如果他们靠近船，那么，由于船是完整的结构，带着附近的一部分空气，所以它们将毫不费力，也没有阻碍的会跟上床的运动。

在上面引的这段话里，关键的语句是：“......使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化，你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。” 这句引语集中反映了伽利略的相对性原理思想。

用现代的术语来概括，伽利略相对性原理可表述为：

一个对于惯性系作匀速直线运动的其它参考系，其内部所发生的一切物理过程，都不受到系统作为整体的匀速直线运动的影响。

或者说，

不可能在惯性系内部进行任何物理实验来确定该系统作匀速直线运动的速度。

既然相对于惯性系作匀速直线运动的系统内遵从同样的物理学规律，由此可得出结论：相对于一惯性系做匀速直线运动的一切参考系都是惯性系。亦即，对于物理学规律来说，一切惯性系都是等价的。