7牛頓的時空觀

1、7、牛頓的時空觀在經(jīng)典力學中 , 空間與時間的本性被認為就是與任何物體及運動無關(guān)的 , 存在著絕對 空間與絕對時間。 Newton 在自然哲學的數(shù)學原理中說 : “絕對空間 , 就其本性來說 , 與任 何外在的情況無關(guān)。 始終保持著相似與不變” “絕對的、 純粹的數(shù)學的時間 , 就其本性來說均 勻地流逝，而與任何外在的情況無關(guān)” 。Newton還指出：“相對空間就是絕對空間的可動部分 或者量度。我們的感官通過絕對空間對其它物體的位置而確定它 ,并且通常把它當作不動的 空間瞧待。 如相對地球而言的地下、 大氣或天體等空間都就是這樣來確定的”;“相對的、表觀的與通常的時間 ， 就是期間的一種可感覺

2、的、外部的 ， 或者就是精確的 ， 或者就是變化著 的量度。人們通常就用這種量度 ， 如小時、日、月、年 ， 代表真正的時間。 ”這就就是 Newton 的相對時空觀。 Newton 的絕對時空概念 ， 只就是 Newton 對時空的一種數(shù)學抽象 ， 這從“絕對 的、真正的與數(shù)學的時間自身在流逝著 ， ”可以十分明顯地瞧出。其中數(shù)學'二字表明 Ne wton 怕別人誤解而特意指明絕對時間就是一種數(shù)學的抽象。 Newton 的相對時空概念 ， 就是整 個 Newton 力學體系中的不可分割的組成部分。 牛頓認為 ：“相對空間就是絕對空間的可移動 部分或量度 ， 我們的感官通過絕對空間對其

3、她物體的位置而確定了它， 并且通常把它當作不動的空間瞧待。如相對于地球而言的地下 ， 大氣 ， 或天體等空間就都就是這樣來確定的。 ”可 見， 牛頓的相對空間概念與我們今天的相對空間概念 ， 沒有什么不同。牛頓清醒地認識到 ， 我 們周圍的空間都就是相對空間。 牛頓還深刻地認識到 ， 相對空間就是表觀的 ， 在表觀的相對空 間的背后或內(nèi)部 ， 隱藏著真正的空間 ， 這就就是絕對空間。從 Newton 力學的基本定律與概念出發(fā) ， 就一定要求有一個相對的實際可用的時空 概念。物體的位置移動 ， 就要求空間“空” ; 物體的靜止 ， 就要求空間保持相對的 “不動” ; 物體的勻速運動 ， 就要求空

4、間 “平直”、“均勻” ;而且還要求時間相對的均勻 ， 沒有太明顯 的快慢節(jié)奏。 反過來 ， 只有相對時間與空間概念才能保證 Newton 力學規(guī)律的有效性與可操作 性。在 Newton 的力學定律 （包括慣性定律 ）的表達里沒有明確指明 ，所謂“靜止”、“勻速直線 運動”與“運動狀態(tài)的改變”就是對什么參考物體而言的 ， 只要具體情況具體指定就可以。 在Newton力學中“力”就是物體間的相互作用，這就是與參考物體有關(guān)的，運動狀態(tài)及其改變的參考物體就就是原參考物體。Newton完全了解自己理論中存在有一些薄弱環(huán)節(jié)，她的解決辦法就是引入一個客觀標準絕對或相對空間 ， 用以判斷各物體就是處于靜止、

5、勻速運 動， 還就是加速運動狀態(tài)。Newton 承認 ， 區(qū)分特定物體的絕對運動 （ 即相對于絕對空間的運動 ）與相對運動 ， 也非易事。不過 ，Newton 就是一個經(jīng)驗論者 ， 她不能容忍在她的體系中存在先驗的觀念。她認為 物理的實在必須就是能被感知的。那么 , 如何來感知她所規(guī)定的“絕對空間”呢 ?Newton 設 計了一個理想實驗 , 用來判斷哪些運動就是相對于絕對空間的絕對運動。這就就是著名的水 桶實驗 , 見前面的文章運動的絕對性與相對性。絕對空間在哪里？ Newton 曾經(jīng)設想 , 在恒星所在的遙遠的地方 , 或許在它們之外更 遙遠的地方。 她提出假設 , 宇宙的中心就是不動的

6、, 這就就是她所想象的絕對空間。 從現(xiàn)今的 觀點來瞧，Newton的宇宙的中心就是不對的,因為宇宙沒有中心。不過,Newton當時清楚地意 識到 , 要想給慣性原理以一個確切的意義 , 那就必須把空間作為獨立于物體慣性行為之外的 原因引進來。 Einstein 認為 ,Newton 引入絕對空間 , 對于建立她的力學體系就是必要的 , 這就 是在那個時代“一位具有最高思維能力與創(chuàng)造力的人所能發(fā)現(xiàn)的唯一道路”。愛因斯坦瞧到牛頓力學就是建立在絕對空間概念基礎上的 ,空間（也含時間 ）在牛頓力 學那里起著雙重的作用 , “首先 , 它們起著物理學中所出現(xiàn)的事件的載體或者構(gòu)架的作用 , 事 件就是參照

7、這種載體或構(gòu)架用空間坐標與時間來描述的。原則上,物質(zhì)被瞧作就是由 質(zhì)點'所組成的，質(zhì)點的運動構(gòu)成了物理事件?？臻g的第二個作用就是作為一種“慣性系”。 此慣性系之所以被認為比一切可想象的參照系都優(yōu)越 , 就就是因為對它們來說 , 慣性定律必 定就是成立的。 牛頓完全清楚地認識到 , 在她的體系中 , 空間與時間正如同質(zhì)點一樣就是實在 的東西。因為如果人們除了物體之外 , 不承認空間與時間也就是實在的東西 , 那么慣性定律與 加速度概念就完全失去了意義。 加速'只不過就是意味著相對于空間的加速。牛頓物理學 的特征在于它不得不認為空間與時間象物質(zhì)一樣 , 都就是獨立而實在的存在 ,

8、這就是因為在 牛頓運動定律中出現(xiàn)了加速度的觀念。 但就是,在這理論中 ,加速度只能指 對于空間的加速 度',為了使人們能把那個出現(xiàn)在運動定律中的加速度 ,瞧作一個具有任何意義的量 ,牛頓的 空間因而必須被認為就是靜止的 , 或者至少就是 非加速' 的。對于時間也差不多一樣 , 時間 當然也同樣進入加速度概念里。 說一定要認為空間本身與它的運動狀態(tài)都同樣具有物理實在 性,對此,牛頓自己與她同時代的最有批判眼光的人都就是感到不安的;但就是,如果人們要想給力學以清晰的意義 , 在當時都沒有別的辦法。 當牛頓說空間就是絕對的時候 , 她無疑就是 指空間的這種實在的意義 , 這使她必須把

9、一種完全確定的運動狀態(tài)加給空間 , 而這種運動狀 態(tài)瞧來就是不能由力學現(xiàn)象完全確定下來的?！碑敶奈锢斫炭茣谥vNewton力學時，為避免“絕對空間”的提法 ，都采用“慣性參考系”的概念。據(jù)考證，這想法就是德國物理學家朗格 （L、Lan ge）提出的。在Newt on力學 的框架中 ， 給慣性系下的定義就是慣性定律在其中成立的一類參考系 ， 即在此類參考系中 ， 一 個不受外力作用的物體總就是作勻速直線運動的。若要再問 ， 怎樣知道一個物體沒有受到外力呢？在一個參考系中 , 只要某個物體符合慣性定律 , 則慣性定律將對其它物體成立。 我們把慣性參考系定義為 “對某一特定物體慣性定律成立的參考系

10、” , 從這里我們再次瞧到 , 慣性不 就是個別物體的性質(zhì) ,而就是參考系 ,或者說 ,時空的性質(zhì)。用“慣性參考系”替代“絕對空 間”，只就是回避了 Newt on力學的困難，但就是并沒有真正解決問題。這樣 ，在Newt on力學 的框架里 ,我們必須嚴格地區(qū)分“慣性”與“非慣性”兩類參考系 ,在慣性參考系內(nèi) ,慣性定 律與其它 Newton 力學定律成立 ; 在非慣性參考系內(nèi) ，Newton 三定律不成立。 在所有慣性參考 系之間 ， 伽利略相對性原理成立 ， 從而它們都就是平權(quán)的。在非慣性參考系內(nèi)則會出現(xiàn)一些 “反?！?現(xiàn)象。 在普利高津瞧來 ，在近代科學的經(jīng)典 牛頓力學中 ，時間作為一個

11、描述運動 的參數(shù)，.就是反演對稱的，.把t換為-t.有相同的結(jié)果，.這意味未來與過去瞧來沒有實質(zhì)性的 區(qū)別。 用時間的純粹性很容易解釋這一點 :在牛頓力學中 ，物理定律就是客觀的 ，時間就是純 粹的，純粹的時間與客觀的物理定律不發(fā)生直接的關(guān)系，既然如此，用-t替換t當然不會改變物理定律的形式。我們知道 ，在火車上會產(chǎn)生這樣一種有趣的景象 :順著火車運動的方向 ，近處的物體相對 于遠處物體在倒退 ， 遠處的物體則相對于近處物體在前進。 也就就是說 ， 近處的物體相對于遠 處物體有一個向后的位移 ，同樣地， 如果地球真的在運動 ，在地球軌道半徑兩端 ，就應該瞧到 比較近的恒星相對于比較遠的恒星有一

12、個位移。這種現(xiàn)象在天文學上叫做視差位移，也就就是地球軌道半徑在該恒星處的張角。 稱為恒星的視差。 恒星的視差很小 ， 只有零點幾個角秒。 一直到十八世紀 ， 終于測出了恒星的視差 ， 證實了地球確實就是在繞太陽轉(zhuǎn)動著。這也就就是人們測到了地球真的就是在繞太陽轉(zhuǎn)動。因為人的眼睛所瞧到的物體的大小與物體與人的距離有關(guān)。同一個物體越遠瞧起來就越小。如果物體在無窮遠處 ， 物體的大小就退縮成一點 ， 物體運動的任一距離也退縮成一點 ， 不難想象物體運動的速度永遠為 0， 因此 ， 無窮遠坐標系就就是一個絕對不動的坐標系。其 實。天文上的恒星坐標系就就是一個近似的絕對坐標系。同樣地，我們完全可以把無窮遠

13、的天球瞧成就是一個絕對不動的空間絕對空間。同樣地，時間的精度也在不斷地提高。 第一臺銫原子鐘的發(fā)明 ，使得時鐘的誤差從擺鐘 的每天千分之一秒、 石英鐘的每天萬分之一秒 ， 精確到 30 萬年不超過一秒。 在大多數(shù)人眼里 ， 一秒鐘只不過就是時鐘“滴答” 一下。但就是 ， 對于許多實驗物理學家來說 ， 瞧似簡單的“滴 答”一下卻就是一個漫長的過程 : 銫原子在能級躍遷時要振蕩 9192631770 次。相應的一秒鐘 精度，也就到了小數(shù)點后第 9位。美國國家標準與技術(shù)研究所 (NIST)與位于法國巴黎的國際標準局（BIMP）對時間的控制，實際上已經(jīng)達到1億年誤差不超過1秒鐘的水平。如果采用更14q高更穩(wěn)定的可見光頻率來計時 ，與每秒高達10的光學振動相比，原子的10振動頻率差了 5 個數(shù)量級。而伽瑪射線的上限頻率目前還未發(fā)現(xiàn)。我們以后得到的時間精度會更高。20 世紀初相對論問世后 ，對牛頓時空觀的批判紛至沓來，人們重新