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200234

yinye@

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：A

0. 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”。牛顿的绝对空间有如下几层含义，（1）绝对空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，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”（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）

图中S表示太阳所在的位置，真空中充满了空间物质，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，就化学反应而言原子是不可分的，但就核反应而言原子是可分的，任何层次的物质都是可分的，但越往后越难分离。

有了以上的铺垫，就可给“理想物质空间”下一个定义：充满无穷小连续物质的空间为“理想物质空间”。

这样“物质空间”的定义是：连续物质占据的空间就是物质空间，如：空气、水、真空等，它们是“理想物质空间”的近似，就像理想气体和真实气体的关系一样。

定义中的真实物质空间中的连续是相对的，真实的自然不存在“无限小连续的物质”，所有的物质都有微观结构，也就是任何层次的物质都是可分的，但存在“相对的连续物质”，例如：对鱼而言，水就是它们生存其中的“物质空间”，对人而言，空气就是人生存其中的“物质空间”，对恒星而言，真空就是它们运动其中的“物质空间”，物质空间思想强调所有空间中都存在物质，任何物体都在物质空间中运动。

物质空间具有层次结构（笛卡尔哲学思想中没有这个概念，物质空间的层次思想是根据现代科学证据提出的一个假设），“空间物质”由稠密到稀薄，从低级到高级递进。最稠密的空间是宇宙大爆炸时（或黑洞内的）的“奇点”，最稀薄的空间是一无所有的空间，即“无”空间（虚空），“奇点”和“无空间”为极限空间，一般稀薄的空间物质包围稠密的空间物质，物质空间层次结构如图2所示。

图2 物质空间层次结构模型

简单地讲，“虚空”就是一无所有的空间，它作为极限空间而存在，“物质空间”就是含