5. 相對性原理（狹義）

為使論述盡可能地清晰，我們回到那個勻速行駛的火車車廂的例子。我們把它的運動稱為一種勻速平移（稱為“勻速”是因為速率和方向是恒定的，稱為“平移”是因為雖然車廂相對于路基改變了位置，但在此過程中并無轉(zhuǎn)動）。設(shè)想一只烏鴉從空中飛過，從路基上看它作的是勻速直線運動，那么從行駛的車廂上看，烏鴉雖然是以另一種速率和方向在飛行，但仍然是勻速直線運動。抽象地說：若質(zhì)量m相對于坐標系K作勻速直線運動，那么只要第二個坐標系K′相對于K作勻速平移運動，該質(zhì)量相對于K′亦作勻速直線運動。根據(jù)上節(jié)論述，由此可以推出：

若K為伽利略坐標系，則其他任何相對于K作勻速平移運動的坐標系K′亦為伽利略坐標系。和相對于K一樣，伽利略－牛頓力學(xué)定律相對于K′也成立。

我們作如下更進一步推廣：如果K′是一個相對于K作勻速運動而無轉(zhuǎn)動的坐標系，那么自然現(xiàn)象相對于坐標系K′的發(fā)展所遵循的普遍定律將與相對于坐標系K相同。我們把這一陳述稱為“相對性原理”（狹義）。

只要確信一切自然現(xiàn)象都能借助于經(jīng)典力學(xué)來表述，就沒有必要懷疑這一相對性原理的有效性。然而隨著電動力學(xué)和光學(xué)的新近發(fā)展，人們越來越清楚地看到，經(jīng)典力學(xué)不足以充當(dāng)一切自然現(xiàn)象的物理描述的基礎(chǔ)。到這個時候，討論相對性原理的有效性問題的時機已經(jīng)成熟，而且對這個問題給出否定的回答并不是不可能的。

不過有兩個一般事實從一開始就非常有利于相對性原理的有效性。即使經(jīng)典力學(xué)沒有為一切物理現(xiàn)象的理論表述提供足夠廣泛的基礎(chǔ)，我們也必須承認它包含著相當(dāng)程度的真理內(nèi)容，因為經(jīng)典力學(xué)對實際天體運動的描述驚人地準確。因此，相對性原理在力學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用必然達到了很高的準確度。然而一條具有如此普遍性的原理，在一個現(xiàn)象領(lǐng)域有如此之高的準確度，而在另一個現(xiàn)象領(lǐng)域居然會無效，這從先驗的角度看是不大可能的。

第二個證據(jù)如下，我們以后還會回到它。如果相對性原理（狹義）不成立，那么相對于彼此作勻速運動的K、K′、K′′等伽利略坐標系對于描述自然現(xiàn)象就不是等價的。于是我們只能認為自然定律能以一種特別簡單的方式表述出來，而且當(dāng)然只有當(dāng)我們已從所有伽利略坐標系中選定了一個具有特殊運動狀態(tài)的坐標系（K₀）作為參照物時才能這樣表述。然后，我們就有理由（因為這個坐標系對于描述自然現(xiàn)象具有優(yōu)勢）稱此坐標系為“絕對靜止的”，而所有其他伽利略坐標系K都是“運動的”。例如，倘若鐵路路基是坐標系K₀，那么我們的火車車廂就是坐標系K，相對于坐標系K成立的定律將不如相對于坐標系K₀成立的定律那樣簡單。這種較少的簡單性源于車廂K相對于K₀（亦即“真正”）在運動。在相對于K所表述的普遍自然定律中，車廂速度的大小和方向必然會起作用。例如我們可以預(yù)料，一個風(fēng)琴管當(dāng)它的軸平行于運動方向時發(fā)出的音將不同于它的軸垂直于運動方向時發(fā)出的音。由于我們的地球正在圍繞太陽運轉(zhuǎn)，我們可以把地球比作以每秒大約30公里的速度行駛的火車車廂。倘若相對性原理不再有效，我們就應(yīng)該預(yù)料到，地球在任一時刻的運動方向?qū)谧匀欢芍斜憩F(xiàn)出來，而且物理系統(tǒng)的行為將與其相對于地球的空間方向有關(guān)。由于地球公轉(zhuǎn)速度方向一年中會發(fā)生變化，地球相對于假設(shè)的坐標系K₀不可能全年處于靜止。然而，即使最仔細的觀察也從未顯示出地球物理空間具有這種各向異性（即不同方向具有物理不等價性）。這是支持相對性原理的一個非常強有力的證據(jù)。