7、牛顿的时空观

7、牛顿的时空观

在经典力学中，空间和时间的本性被认为是与任何物体及运动无关的，存在着绝对空间和绝对时间。Newton在《自然哲学的数学原理》中说：“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关。始终保持着相似和不变”“绝对的、纯粹的数学的时间，就其本性来说均匀地流逝，而与任何外在的情况无关”。Newton还指出：“相对空间是绝对空间的可动部分或者量度。我们的感官通过绝对空间对其它物体的位置而确定它，并且通常把它当作不动的空间看待。如相对地球而言的地下、大气或天体等空间都是这样来确定的” ；“相对的、表观的和通常的时间，是期间的一种可感觉的、外部的，或者是精确的，或者是变化着的量度。人们通常就用这种量度，如小时、日、月、年，代表真正的时间。”这就是Newton的相对时空观。Newton的绝对时空概念，只是Newton对时空的一种数学抽象，这从“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，”可以十分明显地看出。其中‘数学’二字表明Newton怕别人误解而特意指明绝对时间是一种数学的抽象。Newton的相对时空概念，是整个Newton力学体系中的不可分割的组成部分。牛顿认为：“相对空间是绝对空间的可移动部分或量度，我们的感官通过绝对空间对其他物体的位置而确定了它，并且通常把它当作不动的空间看待。如相对于地球而言的地下，大气，或天体等空间就都是这样来确定的。”可见，牛顿的相对空间概念与我们今天的相对空间概念，没有什么不同。牛顿清醒地认识到，我们周围的空间都是相对空间。牛顿还深刻地认识到，相对空间是表观的，在表观的相对空间的背后或内部，隐藏着真正的空间，这就是绝对空间。

从Newton力学的基本定律和概念出发，就一定要求有一个相对的实际可用的时空概念。物体的位置移动，就要求空间“空”；物体的静止，就要求空间保持相对的 “不动”；物体的匀速运动，就要求空间 “平直”、“均匀”；而且还要求时间相对的均匀，没有太明显的快慢节奏。反过来，只有相对时间和空间概念才能保证Newton力学规律的有效性和可操作性。在Newton的力学定律（包括惯性定律）的表达里没有明确指明，所谓“静止”、“匀速直线运动”和“运动状态的改变”是对什么参考物体而言的，只要具体情况具体指定就可以。在Newton力学中“力”是物体间的相互作用，这是与参考物体有关的，运动状态及其改变的参考物体就是原参考物体。Newton完全了解自己理论中存在有一些薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准——绝对或相对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态。

Newton承认，区分特定物体的绝对运动（即相对于绝对空间的运动）和相对运动，也非易事。不过，Newton是一个经验论者，他不能容忍在他的体系中存在先验的观念。他认为，物理的实在必须是能被感知的。那么，如何来感知他所规定的“绝对空间”呢?Newton设计了一个理想实验，用来判断哪些运动是相对于绝对空间的绝对运动。这就是著名的水桶实验，见前面的文章——运动的绝对性与相对性。

 绝对空间在哪里？Newton曾经设想，在恒星所在的遥远的地方，或许在它们之外更遥远的地方。他提出假设，宇宙的中心是不动的，这就是他所想象的绝对空间。从现今的观点来看，Newton的宇宙的中心是不对的，因为宇宙没有中心。不过，Newton当时清楚地意识到，要想给惯性原理以一个确切的意义，那就必须把空间作为独立于物体惯性行为之外的原因引进来。Einstein认为，Newton引入绝对空间，对于建立他的力学体系是必要的，这是在那个时代“一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路”。  

爱因斯坦看到牛顿力学是建立在绝对空间概念基础上的，空间（也含时间）在牛顿力学那里起着双重的作用，“首先，它们起着物理学中所出现的事件的载体或者构架的作用，事件是参照这种载体或构架用空间坐标和时间来描述的。原则上，物质被看作是由‘质点’所组成的，质点的运动构成了物理事件。……空间的第二个作用是作为一种“惯性系”。此惯性系之所以被认为比一切可想象的参照系都优越，就是因为对它们来说，惯性定律必定是成立的。牛顿完全清楚地认识到，在他的体系中，空间和时间正如同质点一样是实在的东西。因为如果人们除了物体之外，不承认空间和时间也是实在的东西，那么惯性定律和加速度概念就完全失去了意义。‘加速’只不过是意味着相对于空间的加速。牛顿物理学的特征在于它不得不认为空间和时间象物质一样，都是独立而实在的存在，这是因为在牛顿运动定律中出现了加速度的观念。但是，在这理论中，加速度只能指‘对于空间的加速度’，为了使人们能把那个出现在运动定律中的加速度，看作一个具有任何意义的量，牛顿的空间因而必须被认为是静止的，或者至少是‘非加速’的。对于时间也差不多一样，时间当然也同样进入加速度概念里。说一定要认为空间本身和它的运动状态都同样具有物理实在性，对此，牛顿自己和他同时代的最有批判眼光的人都是感到不安的；但是，如果人们要想给力学以清晰的意义，在当时都没有别的办法。当牛顿说空间是绝对的时候，他无疑是指空间的这种实在的意义，这使他必须把一种完全确定的运动状态加给空间，而这种运动状态看来是不能由力学现象完全确定下来的。”

 当代的物理教科书在讲Newton力学时，为避免“绝对空间”的提法，都采用“惯性参考系”的概念。据考证，这想法是德国物理学家朗格（L.Lange）提出的。在Newton力学的框架中，给惯性系下的定义是惯性定律在其中成立的一类参考系，即在此类参考系中，一个不受外力作用的物体总是作匀速直线运动的。若要再问，怎样知道一个物体没有受到外力呢？在一个参考系中，只要某个物体符合惯性定律，则惯性定律将对其它物体成立。我们把惯性参考系定义为“对某一特定物体惯性定律成立的参考系”，从这里我们再次看到，惯性不是个别物体的性质，而是参考系，或者说，时空的性质。用“惯性参考系”替代“绝对空间”，只是回避了Newton力学的困难，但是并没有真正解决问题。这样，在Newton力学的框架里，我们必须严格地区分“惯性”和“非惯性”两类参考系，在惯性参考系内，惯性定律和其它Newton力学定律成立；在非惯性参考系内，Newton三定律不成立。在所有惯性参考系之间，伽利略相对性原理成立，从而它们都是平权的。在非惯性参考系内则会出现一些“反常”现象。在普利高津看来，在近代科学的经典——牛顿力学中，时间作为一个描述运动的参数，是反演对称的，把 t换为-t有相同的结果，这意味未来和过去看来没有实质性的区别。用时间的纯粹性很容易解释这一点：在牛顿力学中，物理定律是客观的，时间是纯粹的，纯粹的时间与客观的物理定律不发生直接的关系，既然如此，用-t替换t当然不会改变物理定律的形式。

我们知道，在火车上会产生这样一种有趣的景象：顺着火车运动的方向，近处的物体相对于远处物体在倒退，远处的物体则相对于近处物体在前进。也就是说，近处的物体相对于远处物体有一个向后的位移，同样地，如果地球真的在运动，在地球轨道半径两端，就应该看到比较近的恒星相对于比较远的恒星有一个位移。这种现象在天文学上叫做视差位移，也就是地球轨道半径在该恒星处的张角。称为恒星的视差。恒星的视差很小，只有零点几个角秒。一直到十八世纪，终于测出了恒星的视差，证实了地球确实是在绕太阳转动着。这也就是人们测到了地球真的是在绕太阳转动。

 因为人的眼睛所看到的物体的大小与物体和人的距离有关。同一个物体越远看起来就越小。如果物体在无穷远处，物体的大小就退缩成一点，物体运动的任一距离也退缩成一点，不难想象物体运动的速度永远为0，因此，无穷远坐标系就是一个绝对不动的坐标系。其实。天文上的恒星坐标系就是一个近似的绝对坐标系。同样地，我们完全可以把无穷远的天球看成是一个绝对不动的空间——绝对空间。

 同样地，时间的精度也在不断地提高。第一台铯原子钟的发明，使得时钟的误差从摆钟的每天千分之一秒、石英钟的每天万分之一秒，精确到30万年不超过一秒。在大多数人眼里，一秒钟只不过是时钟“滴答”一下。但是，对于许多实验物理学家来说，看似简单的“滴答”一下却是一个漫长的过程：铯原子在能级跃迁时要振荡9192631770次。相应的一秒钟精度，也就到了小数点后第9位。美国国家标准与技术研究所(NIST)和位于法国巴黎的国际标准局(BIMP)对时间的控制，实际上已经达到1亿年误差不超过1秒钟的水平。如果采用更高更稳定的可见光频率来计时，与每秒高达10 14的光学振动相比，原子的10９振动频率差了5个数量级。而伽玛射线的上限频率目前还未发现。我们以后得到的时间精度会更高。

20世纪初相对论问世后，对牛顿时空观的批判纷至沓来，人们重新把牛顿的绝对时空观与同时代的莱布尼兹的观点比较（与牛顿同时代的莱布尼兹反对牛顿将时空观视为独立于物质和运动的绝对的东西。他甚至颇有远见的指出：“没有什么空间是没有物质的，以及空间本身不是一种绝对实在。空间和物质的区别就像时间和运动的区别一样。可是，这些东西虽有区别，却是不可分离的。”），激烈的抨击牛顿的时空观，说：“牛顿的时空观是一种典型的形而上学的时空观，……莱布尼兹……对他的批判充满了辩证法的精神。”

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