你的速度有多快？
你的速度有多快？就在这里，就是现在。
如果你在火车上阅读本书，你目前的速度可能是 200 千米 / 时。在不同的列车上，你的速度会快一点儿或慢一点儿。相反，如果你安静地待在客厅里的沙发上、海滩上或公园里，你的速度就是 0 千米 / 时。你是静止不动的。
顺便说一句，即便是后一种情况，你的“静止不动”也具有很大的相对性，因为你身上有很多的东西在动。你的心脏在跳动，你的血液在分形网状的血液循环系统中流动，在主动脉的速度接近 2 千米 /时。在你的每一个细胞里，有机分子的一生都在忙于产生身体运转所需的能量、合成蛋白质或筹备下一次的细胞分裂。所有这些分子本身都是由原子构成的，围绕在这些原子周围的电子以几百万千米 / 时的速度旋转。
简而言之，构成你这个人的一切都在动。但是，在构成你身体的元素中，向左、向右、向上、向下、向前和向后移动的元素数量大致相同，因此，所有这些物质的流动是平衡的。这就是为什么，平均说来，你是静止不动的。
在你没有意识到的情况下，你还是一个广袤空间的微小构成部分，你在这个空间里不停移动。地球自转一周约 24 小时，你也在跟着地球转。每一天，你都会绕着地轴进行一次完整的旋转。如果你位于法国本土或加拿大南部的纬度地区，那就意味着你每 24 小时行进的距离约为 30000 千米，或速度约为 1250 千米 / 时。如果你位于赤道，那么你每天行进的距离就会超过 40000 千米。钦博拉索火山山顶的旋转速度是约 1670 千米 / 时！
但这座旋转木马并没有就此停住，因为地球绕着太阳转。地球每年以约 107000 千米 / 时的速度绕着太阳公转，也就是约 30 千米 / 秒！太阳系也不是静止的，而是以约 850000 千米 / 时的速度绕着银河系的中心旋转。至于银河系，它在由我们宇宙中所有遥远天体构成的大舞台上以超过 2000000 千米 / 时的速度移动。
超出这一范围之外的情况，我们就不得而知了，但没有任何迹象表明这张旋转的名单就此结束。我们可见的整个宇宙或许也在以更大的速度移动，穿行在一个我们对其一无所知的无限宇宙中。
这么多运动怎会不让人感到头晕呢？你怎么可能舒舒服服地坐着而不会感觉到这些令人眩晕、拖拽着你旋转的速度呢？为什么我们对此没有任何感觉呢？
这个问题的答案是 1632 年伽利略在他的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》(Dialogo sopra i due massimi systemi del mondo, tolemaico e copernicano)中给出的，然后被牛顿在《原理》中用数学方法演示了出来。这一答案可以归纳如下：速度与静止没有区别。一个移动的物体和一个不动的物体之间的区别与两种原色之间的区别具有相同的性质。这是一种任何经验都无法证明的主观感知的差异。
小时候在坐火车时，我有时会站在列车中间的走廊里做跳跃实验。我心想，跳在空中的时候，我就不再和火车有接触了，那么它就不会再带着我一起前进了。因此，当我跳起后短暂停留在空中时，火车会在我周围继续前进。所以，我预期自己不会准确地落在起跳的地方，而是落在略靠后的地方。结果让我很失望。我所有的尝试都以失败告终，而且我从未能以这种方式解开火车的运动之谜。
此外，幸运的是，由于我乘坐的这趟火车以 300 千米 / 时的速度行驶，如果物理定律真如我所想象的那样，那我很可能会被压碎在车厢尽头的卫生间门上，一命呜呼。这还不是最惨的！地球就像任何一列火车，如果我正确的话，那么任何在一生中曾尝试过跳跃的人都会在跳起之后发现自己孤身一人漂浮在星际真空中，而抛弃了他的地球依然继续向前。
我的错误在于，认为自己在跳跃的过程中摆脱了火车的影响，一种绝对的静止控制了我。就好像任何没有发动机或相当的力来维持自身速度的物体都会趋向于自发地停止并达到这种静止状态。这个想法并没有那么荒谬，因为亚里士多德和他所有的门徒在几个世纪中就是这么认为的。但实际情况并非如此。我可以想怎么跳就怎么跳，但现实却让我的理论不断碰壁。
伽利略是第一个对此做出正确描述的人：任何以一定速度抛出的物体，如果没有受到任何外力的阻止，就会一直保持这一速度。在星际真空中抛出一个球，它将会永远沿直线前行，永不减速。显然，在地球上，所有的物体都会停下来，因为处处都有与之相抗的力。如果你在地面上滚动一个球，那么地面和空气的摩擦最终会战胜球的速度。
所以，跳跃丝毫不会妨碍我保持自身的速度。在跳跃中，我继续以与列车完全一样的速度前行，并分毫不差地落在我起跳的地方。实际上，伽利略式的相对论揭示的远远不止这些。如果火车车窗的窗帘被拉开，而我却没有看到窗外风景向后退去，那么任何经验都无法让我知道火车是静止的还是移动的。
好吧，实际情况也不尽然，因为发动机的运转和铁轨的略微不规则会让火车产生不停的颤动。但地球本身不是在铁轨上运行的，而且也不由一台震动的发动机来驱动。它在空间中的运动极为流畅，因此完全无法被察觉。唯一能让我们知道地球在动的方法，就是看向窗外，也就是观察天空和我们相对于其他天体的位置。
在《原理》的开头，牛顿对相对速度和绝对速度的概念进行了区分。他解释说，第一种速度是你基于给定参照对象（比如你在地球上的速度）可以得到的速度，而第二种速度指的是你在宇宙真空里的客观速度。然而，这种区分在书后面的叙述中对他毫无用处，而他描述的所有现象对绝对静止的物体和匀速运动的物体同样有效。根据牛顿的方程，实验能够检测到的只有速度的变化，也就是加速度或减速度。如果我乘坐的列车在我跳起时突然刹车，那么是的，我就会落在起跳点的旁边。
所以，速度的概念是完全主观的，而位置的概念也会因此受到影响。让我们来尝试一个思想实验，看看这只水熊虫（注：水熊虫是一种只有十分之几毫米长且能够在星际真空中生存的动物。因此，接下来的实验对它来说不具任何危险性。）（图 5.1），一边看着它一边高声地说“嘟”。
我们的问题是：在你说“嘟”的时候，水熊虫在宇宙的什么地方呢？当然，如果我们以它在书页上的位置为参照，那它就没有动。它一直都在同一个地方，就在这段文字的前一页上。但是，如果考虑到地球的自转，在你阅读本段最后三个句子的时间里，你已经移动了，而在你说“嘟”的时候，水熊虫的位置已经在你当前位置以西约 10 千米的地方了。
如果我们现在考虑到地球的公转、太阳系的运动和银河系的运动，那么我们的水熊虫就会在距此数万千米的地方，在星际真空中。在你合上这本书之前，它可能已经从某个你一无所知的外星生物黏糊糊、形容可怖的长鼻子下面穿过去了，这并非没有可能。
但是，所有这些思考仍然没有回答我们的问题。水熊虫到底在哪里？它的位置不是相对于本书，不是相对于地球，也不是相对于银河系，而是在绝对的意义之上。它在真空中。在说“嘟”的那一刻，你已经凝固了它在空间中的位置。水熊虫没有动，移动的则是它周围的天体。当一切都在运动中，且我们没有任何静止的参照物时，是否有可能确定水熊虫的位置？
根据伽利略的相对论，答案是否定的。绝对静止是无法察觉得到的，因此某个物体的绝对位置也是如此。绝对静止的假设对于喜欢寻找参照点的人类大脑来说当然很好，但对于毫不在乎参照点的自然规律来说，似乎是完全没有必要的。
难道真如牛顿所想，的确存在一个静止且永恒的宇宙剧场，天体在这个剧场中表演着各自的戏码？还是说，宇宙的所有运动都只是相对存在的？如果辨别运动的静止就像辨别蓝色和红色一样难，或许我们应该干脆放弃赋予它们一种绝对意义的做法。运动是相对的。静止是相对的。位置是相对的。绝对速度的概念毫无意义。绝对位置的概念也毫无意义。
现在，你的水熊虫在哪里呢？这个问题，乍看起来似乎很清楚，也提得很恰当。但它并不完整。它没有答案。如果你在给定的一刻定位了空间中的某个点，那么从下一刻开始，宇宙中就没有任何地方可以被称为“同一个地方”了。还记得我们的无限巧克力店吗？我们在那里已经碰到过此类问题，我们以为这些问题是完整的，却缺少一个数据。在这里，我们再次面对同样的情况。我们对此只能回答：“看情况。”水熊虫现在在哪里？无处不在，同时也处处不在。如果不明确说明相对于什么，这个问题就没有意义。
那我可要开溜了。再等等，因为在伽利略之后，距离科学家们完全放弃静止还需要一些时间。相对论的原理适用于所有与此有关的实验。但仍有一些现象，其性质是伽利略在宣布他的相对论原理时还不知道的。
光的行为与天体和其他的有形物体完全不同。光是一种我们所说的波，也就是说，它是一种通过振动传播的现象，就像波浪在海面上或声音在大气中的传播。然而，所有常见的波动现象都是在某种东西中传播的。波浪需要水才能存在。声音需要使其分子振动的空气。而光，则在真空中传播。我们在夜里看到的星星就是证明，这些星星的光需要穿越数十亿千米的真空才能到达我们这里。
在 19 世纪，这一观察结果让物理学家们产生了一个想法。要是这个真空没有那么“空”呢？毕竟，我们周围让声音可以传播的空气本身就难以察觉得到。通俗地说，如果一个盒子里除了空气什么都没有，那它就是空的。而如果星际真空也是由一种几乎无法察觉的物质（其振动是光的载体）构成的呢？这种可能存在的物质被命名为“以太”，科学家们于是开始寻找以太。
如果这个以太就是真空的实质，那么它就非常重要，同时也必须是静止的剧场。如果可以以绝对的方式去定义运动，我们就应该以这个以太为参照。因此，想要逃脱误解的魔爪，确定以太是否存在就变得至关重要，如果存在，就要探测它的不运动。
在 1881 年与 1887 年间，物理学家阿尔贝特·迈克耳孙(Albert Michelson)和爱德华·莫雷(Edward Morley)开始了一系列实验，旨在探测我们在空间中朝不同方向移动时的光速变化。地球以 30 千米 / 秒的速度绕太阳公转。但地球的移动方向会根据在轨道上所处的位置而有所不同。因此，它相对于以太的速度就必然发生改变。
想象一下，你正在有风的体育场里绕着赛道骑自行车。你以 15 千米 / 时的速度骑行，风以 20 千米 / 时的速度吹拂。在赛道顶风的路段，风冲着你迎面而来，风的速度与你的速度相加：你感觉到 35 千米 / 时的逆风。相反，在你背风骑行时，你就和风一道前进，风的速度仅比你的速度快 5 千米 / 时（图 5.2）。
自行车就是地球，风就是以太。根据我们是在夏天还是在冬天，地球的行进方向会不一样，因此，感觉到的以太风的强度也会不同。
既然以太是光的载体，那么我们就应该能够在光速中检测出差异。这就是迈克耳孙和莫雷尝试去做的事情。
光在真空中以 300000 千米/ 秒的速度移动（注：实际速度为 299792.458 千米 / 秒，但为简单起见，我将其四舍五入。道理不变。）。这远远超过了我们到目前为止讨论过的所有速度。地球以 30 千米 / 秒的速度绕太阳公转。因此，光速在太阳系的体育场为精确的 300000 千米 / 秒，那么当我们迎着以太风的时候，测得的光速是 300030 千米 / 秒，而在背着以太风的时候，测得的光速是 299970 千米 / 秒。因此，迈克耳孙和莫雷预期在相隔六个月的两次测试之间会发现约 60 千米 / 秒的差异。
最初的结果尚无定论。不得不说的是，测量光速是一项高精度的操作，需要经过完美调试的高精尖工具。在最初的测试中，设备误差太大，以至于无法期望能够检测到 60 千米 / 秒的这个“小”差异。
但是，随着岁月的流逝，他们的测量精度越来越高……但结果保持不变。根本无法检测到丝毫的不同。在任何季节，光都无一例外地以 300000 千米 / 秒的速度一闪而过。
是时候面对事实了。我们对空间的理解有些不对头。是很不对头。迈克耳孙和莫雷的实验结论不仅没有找到以太，还描述了一种无法理解的现象。任何物体的视速度都必须取决于你观察它的角度。这些并不是高深的物理科学，而是基本常识。如果一列以 100 千米 / 时的速度行驶的火车从骑行速度为 15 千米 / 时的你的身旁经过，你就会看到火车以 85 千米 / 时的速度超过你。而如果你以 80 千米 / 时的驾驶速度行驶，你就会看到火车以 20 千米 / 时的速度超过你（图 5.3）。
想象自行车和汽车看到火车以相同的视速度超过自己似乎很荒谬。但这似乎就是在光身上发生的情况！我们感知到的光速不会随着地球的速度改变。这个发现有违常理！这似乎完全是个悖论，而且无法解释。我们认为迈克耳孙和莫雷在实验中出了错，因为他们得到的结果与牛顿的理论不符。更糟糕的是：这些结果与欧几里得的几何学相矛盾。
这本可能是一场灾难。
幸运的是，在同一时期，在没有意识到自己所做之事的情况下，一些数学家天真地把玩第五公设，并发明出新的几何图形。