相对性思想的渊源和发展

在古人的观念中，天圆地方，大地是平坦的，天空是圆形的，在空间方位上，向上与向下有绝然的区别，“上”和“下”具有某种绝对性。随后随着引入球形大地和宇宙而实现了空间方向的相对性。

随着相对性现象的不断揭示，向对性思想也逐渐产生和发展起来。运动是相对的，为了描述一个物体的运动，就需要一定的参照物。而首先产生运动相对性原理思想萌芽的，却是中国古代科学家。我国汉代古籍《尚书纬 考灵曜》用朴实无华的语言，早于伽利略一千多年提出了相对性原理的基本思想：“地恒动不止，而人不知，如坐闭窗船中，舟行而人不觉也。”

但相对性原理的明确提出，则是一千多年后伽利略的贡献。伽利略发现，不仅运动是相对的，运动的规律也是相对的。力学运动规律是相对于惯性系而言的，不管这个惯性系是地面还是匀速前进的船舱，力学规律的形式都一样。

然而，在牛顿力学中，仍然还保留有许多绝对的概念。牛顿说，绝对空间，就其本性来说，与任何外在的事物无关，始终保持着独立和不变。此外，在牛顿力学中，质量、能量、加速度等物理量都具有某种绝对的意义。

牛顿还有一种绝对运动观念，但牛顿所谓的绝对运动，并非今天哲学中所说的运动的绝对性，而是指物体相对于绝对空间参照系的运动。牛顿认为，把绝对运动和相对运动区别开来的有效原因，是背离运动轴的离心力。这种力是大还是小，那就要看物体相对绝对静止空间（绝对的）运动量的情况。牛顿并引用了著名的水桶旋转试验来说明，旋转水面的下凹程度（或离心力）的大小只与水相对绝对静止空间的运动量有关。

牛顿的这种，加速运动物体受到的惯性力的大小取决于物体相对绝对静止空间运动加速度的大小的观点，在今天看来是完全站不住脚的，因为加速运动物体受到的惯性力的大小取决于物体相对地球运动时的加速度。虽然牛顿的这种绝对运动观念，在牛顿的时代，就曾受到莱布尼兹与惠更斯的怀疑与反对，但他们并没有提出和牛顿观点不同的其他观点。因此目前通常认为，首先成功地对牛顿绝对运动观念提出批评的是马赫。在马赫看来，根本不存在相对于绝对空间的绝对运动，惯性力的存在，并不证明有相对绝对空间的加速运动存在。水桶旋转，水面变凹，这是由水桶相对于地球和其他天体旋转而产生的效应，而不是由水桶相对于绝对空间转动而产生的。旋转水桶中水面变凹只能证明水桶与宇宙间其他物质之间有相对转动，而决不能证明有绝对空间的存在。

然而，在今天看来，马赫的批评是苍白无力的，马赫用地球和其他天体取代牛顿的绝对空间，其实是不成功的，马赫认为加速运动的物体受到的惯性力的大小取决于该物体相对地球和其他天体运动时的加速度，但是地球和其他天体却不能被（同时）当作运动的参照物，因为地球和其他天体之间不但存在相对运动速度，而且存在相对运动加速度。因此马赫似乎是在告诉我们，当物体相对宇宙中各星球的质心加速运动时，才表现出惯性力来，而且我们还可以进一步证明，宇宙质心并不因天体的运动而改变，即宇宙质心是绝对静止的。我们看不出来该“绝对静止的宇宙质心”和牛顿的“绝对静止空间”到底有何区别。

牛顿通常被看作是坚持因果性的主要代表人物，然而牛顿自己的理论却经不起因果性推敲，既然牛顿认为，产生加速度的原因是作用力，而作用力是物质与物质之间的作用，运动也是物质和物质之间的相对运动，绝对静止空间有必要存在吗？
 

随着电磁理论的发展，这种相对性思想的发展却受到了阻碍，电磁理论承认一个以太绝对参照系，这就与经典力学的伽利略相对性原理很不协调。因为按照伽利略相对性原理，力学定律在所有惯性系中都相同，也就是说，在一个惯性系内部所作的任何力学实验都不能确定该惯性系是否相对于其他惯性系作运动。但与力学中相反，电磁理论却承认有一个特殊的以太参照系，电磁学规律在这个绝对参照系中显得特别简单。电磁学规律仅在某个特殊的参照系中成立，这种观点的理由非常充分，比如运动电荷与静止电荷之间有着截然不同的特征，通过量度这种差别，就可以判断电荷的运动状态——相对某特定参照物的运动。该特定参照物到底是什么呢？回过头来思考一下力学中的类似问题。在力学中，匀速运动的物体和静止的物体之间没有什么不同之处，但加速运动的物体与静止物体之间却有着截然不同的特征。比如加速运动的液体的液面不在水平，加速运动的气体的密度将增大，加速运动的固体存在弹性形变等，而静止的物体并不存在这些特征，通过量度这种差别，就可以测量出物体的加速度——相对某特定参照物的加速度！该特定参照物又是什么呢？力学中的该特定参照物和电磁学中的特定参照物有可能是同一种东西吗？经典物理曾经认为它们就是同一种物质——牛顿所说的绝对静止空间。然而各种企图寻找该物质的实验却都以失败告终了。该物质有可能恰恰就是我们所生活的地球，至少在力学中，实验精度已足以明确地告诉我们，上述方法测量出来的物体的加速度是相对地球的，而且该测量结果与地球自身的加速度没有任何关系。