牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对论时空观的统一

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1、牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对论时空观的统一牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对论时空观的统一殷业上海师范大学信息与机电工程学院，上海200234yinye@188.com摘要：时空观是物理理论的基石，也是自然科学的基石，因为存在的一切都发生在一定的时间和空间之中。从亚里士多德、伽利略、牛顿到爱因斯坦，每一个伟大的物理学家都对时间和空间是什么做过回答，但这些答案还不是最终答案。本文分析了历史上存在的各种时空观，从笛卡尔的“物质空间”思想出发重新审视了时间和空间的关系，通过分析说明：不同的“物质空间”中时间是不同的，从而获得

2、了对牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对时空观的统一认识。关键词：虚空；物质空间；绝对时间；相对时间；相对论；牛顿力学中图分类号：O412文献标识码：A0.引言时空观是物理理论的基石，也是自然科学的基石，因为存在的一切都发生在一定的时间和空间之中。从亚里士多德、伽利略、牛顿[1]到爱因斯坦[2]，每一个伟大的物理学家都对时间和空间是什么做过回答，但他们的答案还不是最终答案。以上四位伟人对时空的答案，有一个共同点，就是时间和空间只有一种，但以笛卡尔的“物质空间”思想[3,4,14]为基础的时空观中，时间和空间可分成两种，一

3、种是“虚空”中的时间和空间，对应“牛顿的绝对时间和空间”，另一种是“物质空间”中的时间和空间，对应“爱因斯坦的相对时间和空间”，前一种时间是空间无关的，后一种时间是空间相关的，所以在“物质空间时空观”中牛顿的绝对时空观和爱因斯坦的相对时空观可以得到了统一，下面我们对这两种不同的时间和空间的有关问题进行讨论。1.虚空和物质空间牛顿在“原理”[1]中阐述的绝对空间是：“绝对空间就其自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，永不移动”11牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对论时空观的统一。牛顿的绝对空间有如下几层含义，（1）绝对空

4、间是真实感知空间的抽象；我们可以设想一个玻璃围成的正方体，假设这个玻璃正方体相对绝对空间静止，将玻璃正方体中的所有物质抽去（包括引力场），并让玻璃壁变得无限薄，并最终消失，这样得到的玻璃正方体围成的空间，就是绝对空间。绝对空间与任何外在事物无关，永远静止；（2）物体相对于绝对空间的运动为绝对运动，牛顿认为绝对运动可用旋转水桶中水面是平面和凹面判断，如果水面是平面则水相对绝对空间没有转动，如果水面是凹面则水相对绝对空间有转动，即只有相对绝对空间的加速运动才产生惯性力，通过惯性力的有无可判断物体相对绝对空间是否加速，

5、并证明绝对空间的存在；（3）相对绝对空间静止或匀速运动的坐标系为惯性系，牛顿力学定律成立；（4）绝对空间中“一无所有”，所以绝对空间是“虚空”或称“无空间”。虽然相对“绝对空间”加速与不加速可以通过惯性力的有无实验判别，但牛顿绝对空间的最大困难是（根据相对性原理）：无法通过实验判别物体相对绝对空间是静止还是匀速运动，这正是相对论要讨论的问题（相对论的观点：不存在绝对空间，不存在绝对运动，任何运动都是相对的）。为了后面讨论和比较各种时空观，我们专门讨论“虚空”和“物质空间”的区别和联系。“虚空”就是“一无所有的空间

6、”（引力场也没有，因为引力场本质上也是一种物质），在物理上有时用“无限远空间”表示，牛顿和爱因斯坦都用过远离所有物质的无限远空间作“思想实验中的空间”，因为那里才有真正的惯性系。“虚空”是否存在是个哲学问题，它和“物质是否无限可分”的哲学思想关联。关于物质是否无限可分，历史上有两种不同的哲学思想，（1）以亚里士多德为代表[7]，认为物质无限可分；（2）以德谟克里特为代表[9]，认为物质不是无限可分的，存在最小的不可分粒子，称为“原子”。如果“原子”存在，那么两个原子之间的空间就是“虚空”，所以“原子论”与存在“虚

7、空”是一致的；另一方面，根据亚里士多德的思想，如果物质无限可分，那么就不存在原子，物质就是连续的，空间和物质无法分离，所以物质无限可分的哲学思想，必然导致“物质空间”的思想。历史上最明确地把“物质空间”思想表达出来的是笛卡尔，笛卡尔坚持认为，一无所有的空间不存在，存在的空间一定包含物质[5]，即为“物质空间”或称为“笛卡尔以太”。并且笛卡尔还以此提出了“以太物质空间宇宙模型”（如图1）：图1笛卡尔宇宙模型（空间物质充满真空和整个宇宙）11牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对论时空观的统一图中S表示太阳所在的位置，真空中充

8、满了空间物质，它们围绕太阳形成漩涡，这种漩涡导致了太阳系的形成，宇宙中所有恒星都是一个个漩涡中心。笛卡尔的宇宙模型有一个最大的优点，它可以说明太阳系的历史演化和光线通过太阳附近时会发生弯曲，这是牛顿力学做不到的，牛顿能做的只能是假设“上帝的第一次推动”。如果用现代科学来回答物质到底是否无限可分？最优的可选答案是：“物质相对无限可分”。即：物质是分层次的，层次越高，越难分离