How fast are you moving right now? That seems like an easy question. The first tempting answer is, "I'm not moving." Upon further reflection, you realize that maybe the Earth's motion counts. So, a second tempting answer is, "19 miles/second around the Sun." But then you recall learning that the Sun moves around the center of the Milky Way galaxy, and the Milky Way moves within the Local Group of galaxies, and the Local Group moves within the Virgo Cluster, and the Virgo Cluster moves within... "How fast are you moving?" is not an easy question. When Mission Control tells astronauts how fast they're going, there's always an assumed standard of rest. At the start of the voyage, speeds are given relative to the launchpad. But later, when the launchpad is just one more arbritrary place down there on Earth's spinning surface, speeds are given relative to the idealized, non-spinning pinpoint center of Earth. On their way to the Moon, Apollo astronauts had a hard time answering the question, "How fast are you moving?" Speed away from Earth was one thing, and speed toward the Moon was quite another. That's because the Earth and the Moon move relative to one another. Ah, of course! Speed is a relative quantity. When Captain Kirk ask Lieutenant Sulu if the Starship Enterprise has reached a speed of warp 7, Sulu should reply, "Relative to what, Captain?" Such a sassy reply may get subordinate Starfleet officers in trouble, but it is the only good answer to the question, "How fast are you moving?" This is basic relatively talking. Not fancy Einsteinian relativity, but good old fashioned (and still correct) Galilean relativity. Galileo seems to have been the first person to realize that there is no such thing as an absolute speed. Speeds are relative. This means that speeds only have meaning when they are referred to a reference frame. Presumably that reference frame is itself at rest. But then we have to ask again, "At rest relative to what?" Because even the concept of rest has lost any hint of absolute meaning. Speed is relative, and rest is relative. Earth's speed is 19 miles/second relative to the Sun. The Enterprise's speed is warp 7 relative to the center of the Milky Way galaxy. Your speed is zero relative to your easy chair. But depending on where you sit, it is hundreds of miles/hour relative to Earth's center. When we furrow a brow and ask, "But how fast is Earth really moving?" we imagine Spaceship Earth plowing through the ocean of space as it orbits the Sun. But space is not an ocean. It has no substance as water does. Space is not a thing; space is nothing. Space is no thing. You can move between two points in space, say between Earth and Mars, but you can't move through space. There's nothing to move through. It's like trying to say how much a hole weighs. A hole weighs exactly nothing because a hole is nothing. It's a void, and so is space. To move relative to nothing is meaningless. The concepts of speed and of rest have only relative meaning. They are absolutely meaningless. They mean something only with respect to arbitrarily chosen, artificial frames of reference. If, someday, you are buckled into your spaceship, and you see from the side window, say, a space station whizz by at constant speed, there is no way to know which of you is really moving. Neither of you is really moving because there is no deep reality about constant speed. Constant speed in a straight line has only relative meaning, a kind of relative reality. Does this mean that all motion is relative? No! Some motions have only relative meaning, but some motions have absolute meaning, are absolutely real. For example, constant speed is relative, but change in speed is absolute. Calling something absolute in science means that arbitrary standards are not used in its measurement. It is unambiguously measurable. When your spaceship fires its engines, your change in speed is beyond doubt. You feel it in your stomach, and your ship's sensors can measure it. Outside your window, the passing space station may seem to be changing speed, but the beings inside the station will not feel it. And no sensors can measure it. You are really changing speed, and they are really are not. There's something absolutely real about changes in speed. The same goes for rotation. If your spaceship is spinning, you can feel it, and your ship's sensors can measure it. The space station outside may seem to be going around you, but it is you who feels queasy, not the folks in the space station. You are really spinning, and they really are not. There's something absolutely real about rotation. So, some motions are relative, and some are not. There is no deep reality about constant speed, but changes in speed are deeply real, and so are rotations. We have to be thoughtful in our analysis of everyday experience in order to identify what is deeply real. Since we can be fooled by perceptions as basic as speed, maybe every perception deserves careful scrutiny. This is what inspired Einstein to his incredible insights about the speed of light and forward time travel. Knowing how to identify what is deeply real is tough and important work. If a police officer ever pulls you over for speeding and asks, "Do you know how fast you were going?" an insightful, though perhaps unwise, reply would be, "Relative to what?" And then, as you sit in the backseat of the police car and feel it accelerate toward jail, you can add, "But some things are absolute!"
Jak szybko się teraz poruszasz? To raczej proste pytanie. Chciałoby się powiedzieć: "Wcale się nie poruszam". Ale po zastanowieniu przychodzi ci na myśl, że Ziemia się rusza. Moglibyśmy więc powiedzieć: "30 km na sekundę wokół Słońca". Ale przypominasz sobie, że Słońce okrąża centrum Drogi Mlecznej, która porusza się w Grupie Lokalnej Galaktyk, a ta grupa w przemierza Gromadę w Pannie, a gwiazdozbiór Panny porusza się w... "Jak szybko się poruszasz?" to niełatwe pytanie. Kiedy kontrola naziemna mówi astronautom z jaką prędkością się poruszają, istnieje założony stan spoczynku. Podczas startu prędkość podaje się w odniesieniu do miejsca startu. Później punkt startowy staje się jednym z wielu punktów na powierzchni wirującej Ziemi, a prędkość odnosi się do teoretycznego, nieruchomego punktu w centrum Ziemi. W drodze na Księżyc astronautom z Apolla było trudno odpowiedzieć na pytanie, jak szybko się poruszają. Prędkość od Ziemi i prędkość w stronę Księżyca różniły się, ponieważ Ziemia i Księżyc poruszają się względem do siebie. Oczywiście! Prędkość to wielkość względna. Kiedy kapitan Kirk pyta porucznika Sulu, czy Enterprise osiągnął prędkość warp 7, Sulu powinien powiedzieć: "W odniesieniu do czego, kapitanie?". Taka bezczelna odpowiedź mogła ściągnąć kłopoty na młodszych oficerów Gwiezdnej Floty, ale to jedyna dobra odpowiedź na pytanie: "Jak szybko się poruszasz?". To prosta względność, nie wymyślna teoria względności Einsteina, ale stara i wciąż prawidłowa zasada względności Galileusza. Był on pierwszym człowiekiem, który zdał sobie sprawę, że nie ma czegoś takiego jak prędkość absolutna. Prędkości są względne. Oznacza to, że nabierają znaczenia tylko w układzie odniesienia. Zakłada się, że sam układ odniesienia jest nieruchomy. Ale wtedy nasuwa się pytanie: "W stosunku do czego?". Nawet pojęcie spoczynku nie ma wymiaru absolutnego. Prędkość jest względna, tak samo stan spoczynku. Ziemia pędzi 30 km/s względem Słońca. Enterprise ma prędkość warp 7 względem centrum Drogi Mlecznej. Twoja prędkość wynosi względne zero w odniesieniu do twojego fotela. Ale zależnie od tego, gdzie siedzisz, wynosi setki km na godzinę względem środka Ziemi. Kiedy ze zmarszczonym czołem spytasz: "Ale jak szybko naprawdę porusza się Ziemia?", wyobrażamy sobie, jak statek kosmiczny "Ziemia" przemierza ocean kosmosu, krążąc wokół Słońca. Ale wszechświat to nie ocean. Nie posiada materii, jak woda. Przestrzeń kosmiczna to nie rzecz, to nic. Jest niczym. Możesz poruszać się między 2 punktami w przestrzeni, jak między Ziemią a Marsem, ale nie możesz przemierzać przestrzeni. Nie ma czego przemierzać. To tak, jakby zgadywać, ile waży dziura. Dziura nic nie waży, ponieważ jej nie ma. To pustka, podobnie jak przestrzeń. Poruszanie się względem niczego nic nie znaczy. Pojęcia prędkości i spoczynku maja jedynie wartość względną. Nie mają wartości absolutnej. Coś znaczą jedynie w odniesieniu do określonych, sztucznych układów odniesienia. Jeśli kiedyś trafisz do statku kosmicznego i z bocznego okna zobaczysz stację kosmiczną pędzącą ze stałą prędkością, nie będzie wiadomo, które z was faktycznie się porusza. Tak naprawde żadne z was, bo nie istnieje rzeczywista stała prędkość. Stała prędkość w linii prostej ma tylko znaczenie względne, względną rzeczywistość. Czy to oznacza, że cały ruch jest względny? Nie! Niektóre ruchy są tylko względne, ale inne mają wartość absolutną, są absolutnie prawdziwe. Na przykład, stała prędkość jest względna, ale zmiana prędkości jest absolutna. Nazywanie czegoś absolutnym w fizyce znaczy, że nie zastosowano względnych standardów przy pomiarach. Ta rzecz ma pomiar bezwzględny. Kiedy statek kosmiczny odpala silniki, zmiana prędkości jest oczywista. Czujesz ją w żołądku, zmierzą ją też czujniki w statku. Za oknem przelatująca stacja kosmiczna zdaje się przyspieszać, ale osoby wewnątrz stacji tego nie czują, a żadne czujniki tego nie zmierzą. To ty zmieniasz prędkość, a oni tak naprawdę nie. Jest coś absolutnie prawdziwego w zmianie prędkości. To samo dotyczy rotacji. Jeśli statek się obraca, możemy to poczuć, a aparatura statku to zmierzy. Stacja kosmiczna na zewnątrz zdaje się nas okrążać, ale to tobie zrobi się niedobrze, a nie kolegom ze stacji. To ty się obracasz, nie oni. Jest coś absolutnie prawdziwego w rotacji. Pewne ruchy są względne, a pewne nie. Nie istnieje rzeczywista stała prędkość, ale zmiany prędkości są prawdziwe, tak samo jak rotacja. Musimy być ostrożni w obserwacji codzienności, w określaniu, co jest rzeczywiste. Ponieważ zawodzą nas zmysły tak podstawowe jak prędkość może każde wrażenie należy starannie przeanalizować? To właśnie zainspirowało Einsteina, do niesamowitej wnikliwości na temat prędkości światła i podróży w przyszłość. Wiedza, jak odróżnić coś, co jest naprawdę rzeczywiste, jest niezwykle istotna. Jeśli policjant zatrzyma cię za przekroczenie prędkości i spyta: "Czy wie pan, jak szybko jechał?", wnikliwa, choć nieroztropna odpowiedź brzmi: "W odniesieniu do czego?". Siedząc w radiowozie i przyśpieszając w drodze do aresztu, możesz dodać: "Ale niektóre rzeczy są absolutne!".