1632年，伽利略發(fā)表了偉大著作《Dialogue Concerning the Two Chief World Systems》，即《兩個世界體系的對話》。

在書中，伽利略通過他的代言人薩爾維亞蒂（Salviati）介紹了一個思想實驗。

一艘船在平穩(wěn)的海面上以恒定速度行駛，且沒有搖晃。一群人坐在甲板下的船艙里，船艙里有蒼蠅和蝴蝶自由的飛著。水中魚兒向四面八方游去，水滴落入下方的容器中。當人們?nèi)訓|西或跳躍時，并不會感受到朝哪個方向更加費力或更加容易，一切都是如此熟悉。

如果換一個速度航行，只要保證速度恒定，艙內(nèi)人們?nèi)匀粫吹揭粯拥木跋螅磺信c在地面上的體驗完全一致。

的確，任何有生活經(jīng)驗的人都會認同這個思想實驗的結(jié)果。中國成語“瞞天過海”講述的就是類似的故事，李世民在船上的一切生活猶如平日后宮，所以完全不知道薛仁貴其實已經(jīng)把他帶到前線去了。

雖然伽利略是用一個船來做這個實驗，但他的論點可比這個厲害多了！他那時已經(jīng)知道地球公轉(zhuǎn)的速度達到近30公里/秒，但這種運動卻并沒對地球上的物理實驗和現(xiàn)象產(chǎn)生任何影響！

基于這一思想實驗，伽利略提出：

只要運動是均勻的，?不是這樣那樣波動，你就會發(fā)現(xiàn)所有提到的那些事情都沒有絲毫變化，你也?法從其中任何?個事情中判斷出船是在移動還是靜?不動。

這段話被認為是伽利略相對性原理的出處。不過伽利略并沒有為之命名。被稱之為“相對性原理”是272年之后的事，1904年，法國的數(shù)學家龐加萊在他的一篇論文中提到物理學中被普遍認同的六個基本原理，相對性原理是其中之一，他寫道：

對于?個固定的觀察者，或者對于?個在勻速運動中運動的觀察者，物理現(xiàn)象的規(guī)律應該是相同的，因此我們沒有，也不可能有任何?法來辨別我們是否在這種運動中。

歷史上，相對性原理并不總是歸功于伽利略。例如，普朗克將其歸功于洛倫茲和愛因斯坦，而由于龐加萊第一次對其命名，所以泡利將其歸功于龐加萊，此外，?克斯?在1876年也提到“所有物理現(xiàn)象的相對性學說”。

但最普遍的共識仍然是：相對性原理是伽利略第一個正式提出的。

你可能沒有意識到這條假設的重要性。想象一下，船艙里的弱小的蝴蝶，既然沒有貼在墻壁上，為何它不擔心跟不上船？畢竟船的速度遠遠超過蝴蝶的速度，但蝴蝶卻總能輕松的保持與船體同步。

你可能會說，一開始加速的時候，蝴蝶不是被船艙墻壁帶著加速了嗎？

但請注意，物理需要解釋的是當下，而不是依賴于歷史來回答問題。你需要回答“蝴蝶現(xiàn)在為什么能在船艙內(nèi)悠閑的飛而不擔心跟不上大船”這個問題！

在1632年之前，這件事本身是無法解釋的。

現(xiàn)在，伽利略第一次給予這件事提供了解釋——因為勻速運動的船艙內(nèi)的物理規(guī)律與陸地上一樣，所以蝴蝶的飛行體驗也與陸地上完全一樣。

但注意，伽利略的解釋方案只是一條假設，假設是通過實驗觀察而總結(jié)得到的，沒有也不需要任何前提或解釋。

雖然伽利略的實驗和觀測可能比較粗糙，但后續(xù)272年內(nèi)的實驗仍然沒有找出哪怕一絲反例，所以龐加萊再次強調(diào)這一原理。當然，在這之后直到現(xiàn)在，仍然沒有任何實驗——哪怕超出力學和運動學，例如超高精度的邁克爾遜-莫雷的光的干涉實驗，都沒有找出違反這條物理假設的蛛絲馬跡。

你可能會說，從邏輯上講，沒找到反例不能證明沒有反例啊，因為可能你的實驗還不夠？沒錯！但迄今為止，既然沒有實驗違反這條假設，那么它仍然是正確的，一條假設做到這樣就夠了！

正因為這樣，伽利略相對性原理完全被愛因斯坦的狹義相對論所繼承，成為這個偉大理論的一條基本假設。

需要指出的是，很多人將伽利略相對性原理局限為“力學的相對性原理”，這種理解和做法是錯誤的！

伽利略并沒有將他的相對性原理限制在力和運動的范圍，他認為，無論你做什么實驗，你都無法覺察所在慣性系的運動速度。因此他相信，任何物理現(xiàn)象和規(guī)律在一切慣性系中都完全一致。

實際上，你想想，哪有什么物理現(xiàn)象完全屬于絕對的力學范圍呢？所以這種將伽利略相對性原理局限在力學范圍的做法是沒有道理的。實際上，在《兩個世界體系的對話》中，磁性就被討論了，難道伽利略會把這些現(xiàn)象排除在外？

從這一點上說，伽利略的遠見卓識非常了不起，他給出了一條迄今為止從未被打破的、具有最廣泛適用性的物理假設，它已成為現(xiàn)代物理學的一條基本原理。

因為相對性原理引申的含義是，物理規(guī)律在慣性系種保持不變，因此也被叫做“伽利略不變性”（Galilean invariance）。

那么，為什么很多物理教材都習慣說伽利略相對性原理只是“力學的相對性原理”呢？

這個背后的罪魁禍首是伽利略變換（Galilean transformation）。

很多人都知道伽利略變換，它作為牛頓力學的時空變換規(guī)則，給出了兩個具有相對速度的慣性系中的坐標和時間的變換關系。

如上圖所示，設K'與K系重合，零時刻開始，K'相對K系沿x軸正向以速度運動，則從K系到K'系的伽利略變換如下：

（改：v→u）根據(jù)此變換，可以輕松得到慣性系中的速度變換關系如下：由于是恒定的，進一步求導得到加速度關系為可見，物體在相對勻速運動的兩個慣性系中的加速度相等，由于物體的質(zhì)量是是絕對的，根據(jù)牛頓第二定律可知故彼此相對勻速運動的慣性系中，力是一致的，也就是力學規(guī)律一致。這樣就導致相對性原理被理解為“力學的相對性原理”了。

但顯然，這不是伽利略的意思，要知道，伽利略在1642年的1月8日就去世了，而牛頓在1643年1月4日那天才出生，伽利略怎么會知道牛頓第二定律長什么樣呢？

那問題是，難道伽利略變換不是伽利略本人提出的嗎？

是的，99%的人都相信這個變換出自伽利略！

但通過查閱文獻后了解到，這根本不是事實！伽利略真的很無辜啊！

沒錯，所謂”伽利略坐標變換“或”伽利略時空變換“也好，根本不是出自伽利略本人，是后人為紀念伽利略而好意為之。正如智利哲學家Torretti 說：“伽利略從未寫下伽利略變換，甚至他做夢都沒想到這個東西”。

這個變換的最初版本叫”坐標變換“，只包含三個空間坐標的變換關系，那時候人們根本沒意識到時間這個量。例如麥克斯韋在1873年對電動勢進行坐標變換時，只考慮空間變換。甚至在1892年，雖然洛倫茲意識到若考慮時間變換可能會有用，但他最終也只是考慮了純空間變換。

而帶上時間（雖然總是恒等關系）的所謂伽利略時空變換并不知道是什么時候第一次出現(xiàn)的，不過文獻稱，1900年之后，時空變化就替代了純空間變換了，也就是現(xiàn)在我們看到的伽利略變換的樣子。

實際上，伽利略不可能知道三維坐標這件事，更別說四維時空了。因為在伽利略的時代，笛卡爾坐標系都還沒完整的建立！直到1649年，那時伽利略已經(jīng)去世7年了，直角坐標系的表示方法才完整的建立起來。

那么作為現(xiàn)今流行的名稱”伽利略變換“是否很早就出現(xiàn)了呢？

并非如此，據(jù)文獻稱，直到1908年，Philippe Frank才第一次采用”伽利略變換“這個名詞，他當時說是”為了紀念伽利略的慣性定律“，并將其命名為”“Galilei transformations“，即“伽利略變換”。

但正如很多人所說，伽利略變換這個名詞容易導致誤解，將其與伽利略相對性原理聯(lián)系起來，甚至顛倒它倆的邏輯主次，例如認為相對性原理是由伽利略變換所導致的，并局限為力學的相對性原理。

但實際上，伽利略相對性原理，不——最好應該叫相對性原理，從被伽利略提出至今，一直保持本色不改！連牛頓力學都被愛因斯坦干掉了，它還依舊堅挺得很！

倘若伽利略知道這個他“被冠名”的變換導致真正屬于他的偉大發(fā)現(xiàn)被狹隘的理解，他肯定會很不爽的說：此變換與我無關！

實際上，這個時空變換是經(jīng)典力學的時空變換，它與狹義相對論中的洛倫茲變換相對應。它與伽利略相對性原理、牛頓力學一起，構(gòu)成狹義相對論的史前版本——有人稱之為“普通相對論”（Ordinary Relativity）。

最后的問題是，這個時空變換如果不叫“伽利略變換”，那叫什么名字最合適呢？有人給了建議，叫“歐幾里德時空變換”，簡稱“歐氏時空變換”，英文名為“Euclidean space-time transformation”。

至此，本文任務完成，主要闡述了兩點：

第一，伽利略相對性原理是具有廣泛意義的物理原理，它并不局限于力學的相對性原理，它就是相對論中的那個相對性原理，它是伽利略首次提出的。

第二，伽利略變換不是伽利略提出的，它只是經(jīng)典力學的時空變換規(guī)則，其地位與洛倫茲變換相當，它與相對性原理、牛頓定律一起構(gòu)成整個經(jīng)典力學基礎。

編輯：黃飛