我们都清楚,即便在空中停留,也不会抵达地球的另一端。但很多人并不真正明白其中缘由。
有人认为,这是因为地球上的万物都随地球一同转动,所以我们不会跑到地球另一边,而是留在原地。这种说法没错,简单来讲,这是惯性在发挥作用。
不过,从更深层次看,这个问题背后隐藏着一个重要的物理学原理,它甚至是爱因斯坦狭义相对论的基本前提之一,这就是伽利略提出的 “伽利略相对性原理”。
该如何理解这一原理呢?用物理学术语表述,即在任何惯性系中,物理定律的数学形式保持不变,也就是说,所有惯性系都是等价的。
对于正在学习物理的年轻人而言,上述解释不难理解。但对于长时间未接触物理学的人来说,可能会有些困惑。下面,我们尽量用通俗易懂的方式来讲解。
所谓惯性系,就是做匀速直线运动的参照系。比如,对我们而言,地球可近似看作惯性系。再比如,在匀速行驶的火车上,火车就是一个惯性系。
严格来讲,地球并非惯性系。地球在做圆周运动,并非匀速直线运动,而且地球的自转速度其实在变慢,这意味着地球的圆周运动存在加速度,只是变慢的速度极其缓慢。由于地球无比巨大(相对人类而言),所以在一般情况下,我们可以将地球近似当作惯性系。
明白了惯性系的定义,就很容易解释开头的问题了。任何物体在惯性系中的表现形式,与在静止参照系中的表现形式是一样的。这种平等性使得我们无法通过观察或实验,分辨参照系究竟是运动的还是静止的。
举例来说,当你身处一列匀速直线行驶的火车上,你所感受到的一切,与你静止站在地球表面时毫无二致,根本无法判断火车是在行驶还是静止。因为匀速直线运动的火车是惯性系,与静止参照系等价。
当然,如果非要通过观察火车外的风景来判断火车是否在运动,那就有些抬杠了。
回到最初的问题。地球对于我们来说是惯性系,所以对我们而言,快速转动的地球和静止的地球没有区别。
换句话说,你在地球表面上空 100 米处,和在地面上静止不动没有差别。既然没有差别,你停留在地球表面上空 100 米处,实际上就等同于在地面静止,既然是静止的,又怎么会到达地球的另一端呢?
要是真的到达了地球另一边,那就违背了伽利略相对性原理,因为这意味着你能区分 “快速转动的地球” 和 “静止的地球” 了!
伽利略相对性原理其实并不难理解,在我们的日常生活中随处可见。早在几百年前,伽利略就能提出这个原理,实在难能可贵。
事实上,许多著名的物理学定律就隐藏在日常生活里,就看我们有没有一双善于发现的眼睛。
伽利略相对性原理极为重要,大名鼎鼎的狭义相对论就以它和光速不变原理作为基本前提。
最后补充一点,地球并非严格意义上的惯性系,通过著名的傅科摆实验就可以验证。有兴趣的朋友可以自行搜索了解傅科摆的原理。