伽利略之船

伽利略之船是物理學家和天文學家伽利略·伽利萊在16世紀至17世紀進行的兩個物理實驗，其中包括一個思想實驗和一個實際實驗。這些實驗的目的是為了反駁地心說，支持地球自轉的觀點，反駁太陽、行星和恆星圍繞地球運轉。

當時常用的論據是，如果地球確實在自轉，那麼拋體或自由落體的軌跡應該會受到可檢測的影響。

船桅實驗

在1616年，伽利略因對宗教裁判所的懷疑而感到憂慮，此時他收到了一封來自教士弗朗切斯科·因戈利（Francesco Ingoli）的信，信中列出了反對哥白尼日心說的科學和神學論據。作為1624年長篇回復的一部分，伽利略描述了一個實驗：他提出從一艘平穩行駛的船的桅杆上掉下一塊石頭，觀察石頭是落在桅杆基部，還是落在其後方。此實驗曾在理論上被許多人討論過，有些人聲稱自己曾做過實驗，但關於結果的報告卻不一致。類似的實際或思想實驗之前也曾由讓·布里丹^[1]、尼科爾·奧雷姆^[2]、庫薩的尼各老^[3]、克里斯托佛·克拉烏^[4]和焦爾達諾·布魯諾^[5]等人討論。

伽利略告訴因戈利：^[6]

我作為哲學家，做得比其他人好兩倍，因為他們在否定這一效果時，也謊稱自己通過實驗觀察到了這一點；而我親自做了這個實驗——在此之前，物理推理就已經讓我相信，結果一定如實驗所示。

伽利略還在他的著作《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》（第二天）中討論了這一實驗^[7]，但並沒有明確指出他曾實際進行過此實驗。與此類似的實驗還曾由伽利略和其他學者（如奧雷姆、克拉烏和布魯諾等）討論過，實驗內容是在地球表面垂直向上發射一個投射物。傳統的亞里斯多德-經院派論點認為，如果地球表面朝東運動，那麼在這一實驗中，投射物會落在發射點的西側，與觀察結果相悖。

1632思想實驗

在伽利略的1632年著作《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》（第二天）中，他討論了當時普遍流行的反對地球運動的論據。其中一種論點是，如果地球在轉動，那麼我們每個人都會以每小時幾千公里的速度朝東運動，因此從塔樓上垂直落下的球會落在塔樓的西側，因為塔樓已經在此過程中朝東移動了一段距離。類似的論點認為，朝東發射的炮彈會比朝西發射的炮彈落得更靠近炮口，因為朝東運動的炮口會部分趕上炮彈。為反駁這些論點，伽利略在書中指出，站在均勻運動的船上的人並不會感覺到任何運動，因此從船桅頂部掉下的炮彈會直接落到船底。為了證明這一點，伽利略的虛構辯護人薩爾維阿蒂（Salviati）提出了以下實驗，展示經典的相對性原理：即沒有內部觀察（如「向窗外看」）能夠區分一個均勻運動的系統和一個靜止的系統。因此，任何兩個無加速度的系統都是等效的，非加速運動是相對的。三百多年後，這一概念被阿爾伯特·愛因斯坦應用於電磁學的馬克士威方程組，最終形成了狹義相對論的理論框架，將伽利略的論點與當時已知的引力和電磁學定律結合在一起。

實驗提案

薩爾維阿蒂的實驗如下：^[8][9]

把你和一些朋友關在一條大船甲板下的主艙里，再讓你們帶幾隻蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲。艙內放一隻大水碗，其中放幾條魚。然後，掛上一個水瓶，讓水一滴一滴地滴到下面的一個寬口罐里。船停著不動時，你留神觀察，小蟲都以等速向艙內各方面飛行，魚向各個方向隨便游動，水滴滴進下面的罐子中。你把任何東西扔給你的朋友時，只要距離相等，向這一方向不必比另一方向用更多的力，你雙腳齊跳，無論向哪個方向跳過的距離都相等。當你仔細地觀察這些事情後（雖然當船停止時，事情無疑一定是這樣發生的），再使船以任何速度前進，只要運動是勻速的，也不忽左忽右地擺動。你將發現，所有上述現象絲毫沒有變化，你也無法從其中任何一個現象來確定，船是在運動還是停著不動。即使船運動得相當快，在跳躍時，你將和以前一樣，在船底板上跳過相同的距離，你跳向船尾也不會比跳向船頭來得遠，雖然你跳到空中時，腳下的船底板向著你跳的相反方向移動。你把不論什麼東西扔給你的同伴時，不論他是在船頭還是在船尾，只要你自己站在對面，你也並不需要用更多的力。水滴將像先前一樣，滴進下面的罐子，一滴也不會滴向船尾，雖然水滴在空中時，船已行駛了許多拃。魚在水中游向水碗前部所用的力，不比游向水碗後部來得大；它們一樣悠閒地游向放在水碗邊緣任何地方的食餌。最後，蝴蝶和蒼蠅將繼續隨便地到處飛行，它們也決不會向船尾集中，並不因為它們可能長時間留在空中，脫離了船的運動，為趕上船的運動顯出累的樣子。如果點香冒煙，則將看到煙像一朵雲一樣向上升起，不向任何一邊移動。所有這些一致的現象，其原因在於船的運動是船上一切事物所共有的，也是空氣所共有的。這正是為什麼我說，你應該在甲板下面的緣故；因為如果這實驗是在露天進行，就不會跟上船的運動，那樣上述某些現象就會發現或多或少的顯著差別。