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追赶
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让我们来重现伽利略的那个实验，它曾使那些不了解相对论的人感到大为震惊。意大利皮耶迪卢科湖上，某艘船上正在举行一场聚会，船在六个桨工的卖力划动中前行。伽利略询问他的朋友斯达路堤是否随身携带了一些较重的物体。斯达路堤拿出了一把很重的钥匙，显然，这是一把十分重要的而且无法复制的钥匙。伽利略用尽全力将这把钥匙笔直抛向空中，此举让朋友大吃一惊。斯达路堤觉得，船向前行进，钥匙一定会掉入湖中，他惶恐地不知所措，差一点就要跳进水里。
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在拥挤的机舱内将钥匙抛过头顶不是一个好主意。你最好搓一团纸球来做这个实验——最好移步至开阔区域，远离其他乘客和空乘，并尽量将物体笔直上抛。如果伽利略的朋友在场，他一定认为纸球会向后落在地上，因为飞机被发动机推动向前，而纸球却没有。很显然，他的这种假设是不会发生的。
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在伽利略所处的那个年代之前，人们觉得物体在推动下才会运动（或者在重力和浮力的作用下）。显然，球（或钥匙）被抛出之前它是与你同时运动的（钥匙是与伽利略一起的）。然而接下来，按照人们过去的认识，这种推力在抛出的瞬间消失了，因此物体就会落在后面。现实中，如果你垂直将球抛起，球一定能落回你手中，你与球之间没有相对运动，也不存在那个能使球发生相对于你位移的力。
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我们想象一下就好了。试想你爬到了机翼上，手中还捏着那团纸，再一次笔直地将它上抛。这一次会发生什么呢？这一次，纸球会被甩在后面。不过这是因为相对于空气来说，飞机的速度很快。从你的角度来说，你坐在机翼上，飞机是静止的，而空气则高速向后运动。向后运动的空气会与纸球接触，上亿个高速运动的空气分子与纸球发生撞击，将纸球推向后方。为了避免这个问题，伽利略选择了一把很重的钥匙。
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飞行中的科学 [:1700041600]
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飞行中的科学 在急流中飞行
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当飞机处于低空，透过窗子就能看到底下的大地，这能让你清楚地感受到自己正在前行，而参照物就是地球。或者，你引用伽利略的说法，你是静止的，向后运动的是地球。（爱因斯坦常常喜欢这么问:“车站什么时候才到。”不过，同样的玩笑开过几次就招人烦了。）但是，你飞行的速度到底是多少呢？
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如果你坐的是一架波音747，它的巡航时速将达到每小时550～570英里（差不多是890千米/小时）。假设你从美国飞往英国时，地面上的观测者通过雷达测速仪发现了你，他一定会觉得你的速度比声音还快。可以这么说，一架普通的飞机能在乘客毫无知觉的情况下突破音障。
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飞机的空速是其相对于周围空气的速度，而不是相对于地面的速度。550英里/小时的巡航速度是飞机相对于周围空气的速度。但是，如果空气本身也以200英里/小时的速度与你做相同方向的运动，那么，地面测速雷达上观测到飞机的时速将达到750英里。这将比740英里/小时的声速还要快。
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虽然200英里/小时的风速有些极端，但是在强大的急流中，这样的风速也不是没有。急流是一种持续不断的气流，它自西向东运动，是地球自转的产物。急流是大气气温逆转造成的，它出现在飞机上升或下降过程中气温升高的区域。对于飞机来说，急流通常产生于30000～40000英尺的巡航高度。这个高度是大气下层（也叫对流层）与大气上层（也叫平流层）的分界线，对流层空气的主要成分为温室气体，而平流层则能吸收太阳辐射。并不是地球上所有地方都会产生急流，但会形成一股狭长的气流带，以每小时250英里的速度前行。若遇急流，向东飞行航班的速度将远远快于向西飞行的飞机（而且更省油），有时甚至堪比超音速飞机。
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飞行中的科学 特别的发现
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1905年，爱因斯坦宣布了一个了不起的发现，使相对论在伽利略的基础上又向前发展了一步。让我们回到大气急流，还记得空气的速度是如何为飞机加速，使之获得了一个更快的相对于地面的速度吗？同样，伽利略相对论也告诉我们：两架飞机迎面飞来，它们各自的速度分别为自身的速度加上对方的速度。或许，每架飞机相对于地面的时速为550英里，但对于朝它迎面飞来的另一架飞机来说，它的时速达到了惊人的1100英里。我们前面说过，如果两架飞机以同样的速度，朝同一个方向并排飞行的话，若以对方为参照物，它们是静止的。
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当爱因斯坦得出这个结论的时候，他想的不是飞机，而是光（这个时间比莱特兄弟首次试航的1903年晚了两年，那时飞机才刚刚被发明出来不久）。试想一下你的飞机突然获得了一个不可思议的速度。你的飞行速度达到了每秒186000英里（约300000千米/秒）。这和光速相同，而你也能与阳光同行了。根据伽利略的理论，在以你为参照物的情况下，阳光是静止的。但是爱因斯坦意识到这里有个大问题。
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19世纪末，苏格兰科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clark Maxwell）证实了光是以某一特定速度传播的。虽然光在不同的媒介中传播速度不同（例如真空中，它的传播速度要大于在玻璃中），但是在同一种媒介中，比如空气，它的速度是不变的。光、电、磁三者的关系密不可分。电流可以产生磁场，变化的磁场也能产生电流，如果能使电流以某一特定速度流动产生磁力，磁力再生成电力，就能这样无限循环下去。但是电流速度等于光速，而光只以某一特定速度传播，因此，现实中没有这样的无限循环。
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因此，爱因斯坦意识到，如果参照物速度发生改变，光的相对速度也随之改变的话，那光就会消失。按照这种观念，你乘坐飞机一旦运动起来，环绕在它周围的光就开始分崩瓦解了。飞机只有在相对的静止状态下（那参照物又是什么呢？），你才能看到光瓦解的景象。现实中的情况并不是这样，因此这种说法是荒谬的。因此，爱因斯坦产生了一个大胆的想法，不管参照物的速度如何变化，光的速度是不变的。当你以时速550英里朝着太阳的方向飞行时，阳光传播的速度并不会因此加上550英里/小时，无论对于你来说，还是对于停在地面上的另一架飞机来说，阳光传播的速度都是一样的。
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当爱因斯坦将这个想法带入牛顿的运动方程式时，他震惊了。为了使光速保持不变，其他一些我们认为的不可变量就要发生改变了。按照爱因斯坦的新理论，如果某物开始运动，它的重量会增加，体积会减小，而时间也会因此变慢。但是，当运动的速度小于光速时，这些变化难以察觉，不过它的结果却不容忽视，就像我们之前提到的GPS卫星，如果没有人为校正，它们就不能精准地工作。
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