牛顿力学、相对论和时间空间

牛顿力学、相对论和时间空间的关系

志勰

对牛顿力学和相对论进行的比较分析，可以说本文是我在探索相对论时间和空间观念结束的一篇总结性的文章。对牛顿力学和相对论的观念进行了确定性比较判断。

关于相对论和时间、空间的关系，在前面的文章中实际上已经结束了。又涉及的概念和说明的方法很杂乱，这里进行系统的整理一下，并对前面一些文章中的看法进行修正一下。为了便于总览整体的轮廓，这里只进行关键性的问题说明，您可以查阅前面的文章。

时间和空间的两种定义方法

牛顿力学中的时间概念来源于人们对物质运动变化的经验感觉，并选定一个统一的定量标准去对物质运动变化进行定量，实际上这是采用一种物质运动变化的度量流程标准去对另一种物质运动变化进行度量。并且对这一度量流程绝对的均匀化，理想化。以至于是可以采用数学化的绝对均匀描述。比如两个时刻之间可以采用任意均匀的间隔进行描述。从物质事件的进程中我们可以向前或者向后无限的延伸。即通常所说的延绵。并且，这样的时间定义于我们所采用的任何参照系是无关的。关于这一问题，您可参见时间的经验感觉。牛顿力学对空间的处理也同样是这样，采用标准距离去定义物体的长度。实际上，牛顿力学已经将时间和空间纯粹的理想化，并采用数学化的方式进行描述。牛顿力学中时间和空间概念是脱离于物质运动的定义的。因此，时间与空间在牛顿力学中是最基本的物理单位。

举个例子来说，热胀冷缩:一个物体发生热胀冷缩，我们不能判断物体所在的空间发生膨胀，而仅将物体这种膨胀属性归因于物体的结构在不同温度下所发生的常规现象，我们知道，实际上，温度的不同，物体分子间的相互作用是不同的。我们不是将这种作用加到空间上，而判断物体发生了空间膨胀，实际上，如果我们将空间的属性判断为物质的属性，那么这样的说法也未尝不可。因此，牛顿力学中的时间和空间是一种绝对理想化的物理量，它不依赖于物质的作用属性。

相对论中的时间观念却不是这样了，它是在处理参照系的问题时而引入的新的概念。

首先，它依赖于这样的假设——光速于参照系无关。并且，这样的观测在科学是上可以说是已经通过实验证实的观点。需要说明一下的是，在当时的科学范围内，通常都普遍认为物质间的相互作用主要是电磁作用，（万有引力由于在近距离处物质间的相互作用是可以忽略不计的）。电荷之间在相同的参照系中只有静电力的作用，但是在不同的参照系之间却存在磁场的作用，也就是说，在不同的参照系之间，电荷属性是不同的，那么，我们没有理由认为在不同的参照系中物质的属性状态（反映在电磁属性上)是相同的。那么，在相同的两个参照系中物质运动的进程中，我们也没有理由认为是相同的。同时，物质的结构属性我们也没有理由认为是相同的。也可以说是经验事实的相对性原理。

在这样的前提下，相对论假设在运动参照系中物质的运动变化进程会减缓，同时，物质间的电磁相互作用也会发生变化，主要表现为沿运动方向，物体的长度会发生变化，相对论判定为沿运动方向物体的长度发生收缩。即通常我们所说的“时间膨胀”和“尺缩”现象。并确定时间和空间在不同参照系中的变化因子

为。

同时，爱因斯坦先生采用光信号传递的模式对同时性也进行了相对性处理。这样，相对论和牛顿力学的时空观念就构成了两种独立的定义系统。

的确，这样的假设我们找不出任何不合理的直接依据。

我们可以看到，相对论的时间与空间观念与物质运动有着最为直接的联系，时间与空间的属性、状态依赖于物质的运动。

在相对论、牛顿力学中时间空间和基本概念间的逻辑关系

1、牛顿力学时间和空间的结构模式

在牛顿力学中，时间和空间的概念来源于人类日常生活中的经验约定，那么，时间和空间和物理量间的关系也来源于这种经验约定。主要表现在如下两个约定：

一、一个事件的唯一确定性。

我们描述一个物体，或者某一个事件，它的本身不会因为我们对它的不同观测而它自身的属性发生变化。比如一个物体的属性、一个事件的进程。

二、定义的标准

牛顿力学采用理想的定义标准模式。

对于时间的模式，采用标准的物质运动周期作为定量时间的模式。比如地球绕太阳公转一周叫做一年，我们不论采用如何观测，这一年必须是地球绕太阳一周，对于这一事件进程而言，这是一种理想的不变的恒量。并且与观测无关。

空间的模式，通常是反映在长度单位上。也是采用标准的不变的物体属性模式。比如1989年米制公约计量大会上，决定将存档米原器的复制品规定为*米国际原器。其为铂铱合金，当温度为零度，用规定方法支撑时，其上两刻线之间的距离规定为一米。（参考《简明物理学辞典》许国宝王福山主编上海辞书出版社）

我们不论采用何种观测方法，它的长度单位在这样限定的条件下是一种恒量。

时间和空间通过这种约定，确定了时间和空间的计量模式，但是这样的计量模式，仅是作为我们计量单位的一种标准。在牛顿力学中，对于时间和空间的属性作了进一步的延伸。虽然我们采用了物质属性的模式定义了空间的单位，通过事件进程的模式定义了时间的单位，但是时间和空间的本身却是于物质无关的抽象属性。不论有没有事件的进程变化，我们仍然确定时间在延绵。不论有没有物质的存在，我们都可以想象到空间。牛顿力学，关键的在于采用时间和空间定义的标准对物质的存在状态进行定量，并进而延伸到时间和空间是纯粹的物理量。

2、相对论的时间和空间的结构模式

相对论则恰恰是另外一种模式，它是随科学的进一步发展而确定的另一种对时间和空间的定义模式。导致这样一种定义模式的非常有利的一个经验事实是光速与光源的运动无关，通常认为在一个世纪以前就已经获得了证明。

为了调节参照系与光速的关系，在科学体系中引入了相对性原理。（相对性原理也是经验感觉，我们找不出什么理由怀疑这一原理在处理参照系的属性上存在问题，这是经验感觉）但是，这样一种引进把物质带入到电磁相互作用的属性中，不论是时间还是空间，都使物质的本身带有电磁相互作用的特点。这样的一种结论和当时的科学进程是分不开的，在当时的科学看法中，电磁间的相互作用构成了物质世界，这样一种说法并不过分。在原子层次到宏观的物质的结构中，电磁相互作用是一种首要的相互作用。物质的属性依赖于电磁属性作为一种判断是很有道理的。

相对论对物质运动的处理，首先它依赖于如下两个目前和经验事实相符的假定：

一、光速不变原理

光速为恒值是目前公认的看法，这里我们不便对其进行探讨。