伽利略相对性原理:禁闭在船舱里的实验

一位法国飞行员在回忆第一次世界大战中的一场空战时,曾记录了这样一段经过。

在一次2 000米高空的战斗中,这位飞行员觉得脑后有一只小虫干扰了他的飞行,于是他顺手一抓。等他一看却吓出了一身冷汗,原来他抓住的是一颗正在发热的德国子弹。这究竟是怎么一回事?是不是超人的传奇呢?不,这位法国飞行员确确实实抓住了一颗子弹。

其实从力学相对运动的角度来分析,这是完全可能的。我们知道,第一次世界大战时期,战斗机的飞行速度大约是每秒钟40米。子弹离开枪膛时的初速度,当时一般是800~900米/秒。当子弹运行一段距离,又穿透机舱,在阻力作用下,末速度降为每秒钟40米左右时,就接近于飞机的速度。如果子弹是从机舱的后方打进来的,和飞行的方向又正好一致,那么子弹和飞机就几乎以同一个速度,沿同一个方向运动。这样的子弹对飞行员当然不具有杀伤力。

因此,法国飞行员顺手抓住一颗子弹,就好像抽烟的人顺手取下夹在耳朵边的一支香烟一样。用力学的话来说就是,子弹和飞行员的相对速度接近于零。或者说,子弹相对于飞行员来说,处于相对静止的状态。因此,所谓接子弹的“功夫”,只是在特定条件下的偶然现象。

其实早在1632年,伽利略就认识到了相对运动的道理。他曾经做了一个实验,把一些朋友关在一条大船甲板的主舱里,再让他们带上几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫。舱内放一只大水碗,其中放几条鱼。然后挂上一个水瓶,让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里。

船停着不动时,小虫向舱内各方向飞行,鱼向各个方向随便游动,水滴进下面的罐子中。一个人把任何东西扔给另一个人时,只要距离相等,向这一方向不必比另一方向用更多的力。双脚齐跳,无论向哪个方向跳过的距离都相等。

然后,让船以任何速度前进,只要运动是匀速的,也不忽左忽右地摆动,舱内的人会发现上述现象丝毫没有改变,人们也无法从其中任何一个现象来确定,船是在运动或是停着不动。

这个实验得出一条极为重要的真理,即从船上发生的任何一种现象,你是无法判断舱究竟在运动还是停着不动。现在人们称这个论断为“伽利略相对性原理”。

相对性原理中这个力学概念,并不是所有的人都能精确描述的。但地球上所有的生物,包括人类,之所以能够生存,就是因为有一个相对静止的生存环境。

大家知道,地球一昼夜自转一圈。若取地球半径的近似值为6 400千米,那么用最简单的圆周运动速度公式就可以计算出,在地球的带动下,处在赤道上的人、房屋、桥梁和所有的一切,每时每刻都在以每秒钟465米的速度做圆周运动(不考虑地球的公转)。

请读者千万不要小看这个速度,这个速度已经远远超过了目前一般超音速飞机的速度!幸亏我们的地球始终以一个恒定的速度运动着,才使地球上的一切,包括我们人类能一直随同地球一起运动,而处于一个相对静止的环境之中。

【科学小链接】

急刹车时乘客为什么会摔倒

大家坐公共汽车也许有过这样的经历,当平稳行驶的公共汽车突然遇到险情而紧急刹车时,车内的乘客会纷纷摔倒。为什么呢?这就是破坏了“相对静止”的状态。本来汽车和乘客以同样的速度前进着,人、车处于相对静止状态。突然汽车紧急停车,人的头却还以惯性向前运动,脚由于摩擦力的作用已经减速,所以人的身体会失去平衡而摔倒。

 

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