从牛顿的绝对时空观到爱因斯坦的相对时空观

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1、从牛顿的绝对时空观到爱因斯坦的相对时空观自古以来，人们对时间和空间的研究活动从未停止过。人类对时空的认识，随着自然科 学的发展，是不断变化的。人类的时空观念的演变，大体上经历了三个时期：几何学时代、 动力学时代及相对论时代。1905 年，爱因斯坦总结了前人的成就，分析了经典物理学的困 难，以彻底创新的精神革新了旧有观念，他发表了题为论动体的电动力学一文，正式宣 告了狭义相对论的诞生。相对论的建立使人们对物质、运动、时间、空间的观念发生了革命 性的变化，由于这些基本概念的简历和思想的变革，又进一步导致了人类自然观和哲学思想 的变化，并且为人类文明开辟了新的前景。在本文中，我们对牛顿的绝对时空观和

2、爱因斯坦 的相对时空观进行比较、评论。一、时空观的比较1.牛顿的绝对时空观牛顿在自然哲学的数学原理一书中，对时间和空间给出了如下定义：“1.绝对的、 真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地、与任何其他外界事物 无关地流逝着，它又可以名之为延续性；相对的、表现的和通常的时间是延续性的 一种可感觉的、外部的(无论是精确的或是不相等的)通过运动来进行的量度，我们通 常就用诸如小时、日、月、年等这种量度以代替真正的时间。2.绝对的空间，就其本性 而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的。相对空间是绝对空间的可动部 分或者量度。”也就是说，时间在宇宙中均匀流逝着，而空间好像一个

3、容器，两者之间没有联系， 也不与物质运动发生关系。牛顿的绝对时空观在 18 世纪和 19 世纪居于统治地位，它的权威被打破已经是 20 世纪的事情了。2.爱因斯坦的相对时空观(1)狭义相对论的时空观 爱因斯坦的狭义相对论是建立在两个基本假设基础之上的。一是相对性原理，即物体运 动状态的改变与选择任何一个参照系无关：二是光速不变原理，即对任何一个参照系而言， 光速都是相同的。在这两个基本假设中，爱因斯坦抛弃了经典物理学中的“以太”和绝对的 时空观。从这两个基本假设出发，爱因斯坦又推出以下主要结论：(1)长度收缩，即运动物体在 运动方向上长度缩短；(2)时钟变慢，即运动着的时钟要变慢；(3)光速极

4、限，即任何物体的 运动速度都不可能超过光速；(4)同时性是相对的，即在一个惯性系中同时发生的事情，在 另一个惯性系中测量便不是同时发生的；(5)如果物质运动速度比光速小得多，相对论力学 就变为牛顿力学，因此相对论比牛顿力学具有更普遍的意义。空间和时间的相对性和统一性，是狭义相对论的核心思想。狭义相对论则从数学关系上 精确地揭示了空间和时间在本质上的统一性，所谓孤立的空间和孤立的时间在自然界是根本 不存在的。后来，爱因斯坦这一新的时空观由他的大学数学老师闵可夫斯基(MinkowskiH, 18641909)作了重大发展。他在通常的三个空间坐标以外，又引进了新的第四个坐标，用 z。=ict表示(X

5、, Y, z则用z, z2和z3表示，i-/一 1, f为光速)。从此人们才弄清了， 原来自然界的每一真实事件，都只能在四维时空连续区才能作出全面的描述。(2)广义相对论的时空观爱因斯坦对于1905 提出的相对论并不满意，因为其中只涉及了相对做匀速运动的参照 系，而没有考虑到加速运动，所以并不完备。这也是今天我们称它为“狭义”相对论的原因。19l5 年，爱因斯坦进而把相对性原理从匀速运动推广到加速运动，完成了广义相对论的完整 表述。1916 年写成总结性论文广义相对论的基础，宣告了广义相对论的诞生。广义相对论基础的两个基本原理：(1)广义相对性原理；(2)等效原理。 广义相对论实际上是关于空间

6、、时间与万有引力关系的理论，它指出空间一时间不可能 脱离物质而独立存在，空间、时间随物质分布和运动速度的变化而变化，揭示了时空同物质 的内在联系。广义相对论进一步指出，由于物质的存在，时间和空间会发生弯曲，万有引力 实际上是时空弯曲的表现。二、遵循变换公式的比较1.伽利略变换 牛顿的绝对时空观是从低速力学现象抽象出来的，集中反映在关于惯性坐标系的伽利略变换中。设惯性系工相对于工以速度v运动，并选X和x轴沿运动方向，伽利略变换式为X = x - vty = yz = zt =t此式反映的时空观的特征是时间与空间的分离。2.洛伦兹变换 根据变换的线性和间隔不变性式，可以导出相对论时空观坐标变化关系

7、。设惯性系工相对于工以速度V运动，并选X和X轴沿运动方向，相对论时空变换公式：x - vtX =y=y z=z三、正确看待两种时空观的变迁广义相对论的诞生，革新了物理科学的基本概念框架。由于近代世界图景主要由物理科 学提供，也可以说相对论革新了世界图景。世界图景不再只是“筐子装东西”式的“时空+ 物质”模式，而是物质运动与时间空间成为一体。相对论在时空观方面的革命完全奠基于对 希腊古典科学精神的再度弘扬。这种精神就是对世界普遍性的追求，对宇宙和谐的追求，对 数学简单性的追求。在狭义相对论中，“光速不变原理”起到重要的作用，它的功能在于统 一了电动力学与牛顿力学。在广义相对论中，“等效原理”是一

8、个关键，它的功能也是为物 理学的大统一奠定基础。可以说，为物理学奠定新的统一的概念基础是相对论的最重要贡献， 也是它导致物理性革命的主要原因。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

9、证法的精神。更有甚者，认 为“牛顿的观点在18 世纪和19 世纪仍然居于统治地位，因为它得到教会的支持”。上面的评价未免片面，牛顿生前并非不知道莱布尼兹的与事物相联系额时空概念，这一 哲学上看来似乎更合理的时空观曾使牛顿感到深深的不安，但是牛顿的选择在当时科学的水 平下是唯一正确而可行的选择。情况正如列宁后来从哲学上所做的分析那样：“不使活生生 的东西简单化、粗糙化，不加以割碎，不使之僵化，那么我们就不能想想、表达、测量、描 述运动。”相对论之父爱因斯坦也客观的分析了牛顿的绝对时空观，承认它的历史必然性。“这个 缺陷，牛顿已经注意到了，莱布尼兹批评过，两百年后马赫也批评过，那就是：惯性抵抗加

10、速度，但是加速度又相对于什么呢？在古典力学的框子里，惟一的答案是：惯性抵抗那个相 对于空间的加速度。这是空间的一种物理性质空间对物体发生作用，但是物体却不对空 间发生作用。这也许就是牛顿所说的空间是绝对的这一断言的较深一层的意义。但是这 观念引起了某些人，特别是莱布尼兹的不安，他不认为空间是独立存在的，而认为它只是事 物的一种性质（物理对象的邻接性）。要是他的这些不无道理的怀疑在那个时候取得了胜 利，那对物理学很难说是一种恩惠，因为要把他的观念贯彻到底所必须的经验基础和理论基 础，在17 世纪都还是无法得到的。”“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（亦即独立性），对此，牛

11、顿自己和他同时代的最有批判眼光的人都是感到不安的， 但是如果人们都想要给力学以清晰的意义，在当时却没有别的办法。”列宁曾经指出：“判断历史的功绩，不是根据历史活动家没有提供现代所要求的东西， 而是根据他们比他们的前辈提供了新的东西”。牛顿选择了具有独立性的绝对时空观作为整 个力学理论体系的逻辑元素，在人类科学史上第一次找到了一种能与其他力学元素相协调的 时空概念绝对时空观，是人类科学史上一次伟大的综合，从这个意义上讲，牛顿的功绩 是不可磨灭的；并且，牛顿的绝对时空观，在一定时期内推动了科学进步的进展；而且，一 直到今天牛顿的绝对时空观仍在人们日常生活中的发挥着重要作用。尽管牛顿的绝对时空观并非

12、完美无缺，存在着时代局限性，但也绝不能因为他没有为我 们提供现代物理学的时空观而斥之为“形而上学”和“绝对主义”。人们在从现代物理学的 角度指出他的时空观没有把时间和空间与物质运动联系起来的时代局限性的同时，也必须像 上面所分析那样承认他的时空观的历史必然性和科学合理性。在我们看来，对于牛顿的时空 观，可以从科学史的角度称之为“绝对时空观”，但不能冠之以“形而上学”或“绝对主义” 的帽子。否则，按此推理，凡是从今天的眼光看来有缺陷的理论，便都要冠以这样的帽子， 那么即使是被许多教科书作为辩证唯物主义时空观代表的爱因斯坦，也可以因为他没有引入 时空的量子化观念而把他的相对论斥之为“形而上学”或“绝对主义”，这显然是不合理的。