建立牛顿绝对时空观的原理
7牛顿的时空观
7、牛顿的时空观在经典力学中,空间与时间的本性被认为就是与任何物体及运动无关的,存在着绝对空间与绝对时间。
Newton在《自然哲学的数学原理》中说:“绝对空间,就其本性来说,与任何外在的情况无关。
始终保持着相似与不变”“绝对的、纯粹的数学的时间,就其本性来说均匀地流逝,而与任何外在的情况无关”。
Newton还指出:“相对空间就是绝对空间的可动部分或者量度。
我们的感官通过绝对空间对其它物体的位置而确定它,并且通常把它当作不动的空间瞧待。
如相对地球而言的地下、大气或天体等空间都就是这样来确定的”;“相对的、表观的与通常的时间,就是期间的一种可感觉的、外部的,或者就是精确的,或者就是变化着的量度。
人们通常就用这种量度,如小时、日、月、年,代表真正的时间。
”这就就是Newton 的相对时空观。
Newton的绝对时空概念,只就是Newton对时空的一种数学抽象,这从“绝对的、真正的与数学的时间自身在流逝着,”可以十分明显地瞧出。
其中‘数学’二字表明Ne wton怕别人误解而特意指明绝对时间就是一种数学的抽象。
Newton的相对时空概念,就是整个Newton力学体系中的不可分割的组成部分。
牛顿认为:“相对空间就是绝对空间的可移动部分或量度,我们的感官通过绝对空间对其她物体的位置而确定了它,并且通常把它当作不动的空间瞧待。
如相对于地球而言的地下,大气,或天体等空间就都就是这样来确定的。
”可见,牛顿的相对空间概念与我们今天的相对空间概念,没有什么不同。
牛顿清醒地认识到,我们周围的空间都就是相对空间。
牛顿还深刻地认识到,相对空间就是表观的,在表观的相对空间的背后或内部,隐藏着真正的空间,这就就是绝对空间。
从Newton力学的基本定律与概念出发,就一定要求有一个相对的实际可用的时空概念。
物体的位置移动,就要求空间“空”;物体的静止,就要求空间保持相对的“不动”;物体的匀速运动,就要求空间“平直”、“均匀”;而且还要求时间相对的均匀,没有太明显的快慢节奏。
第二十二天相对论时空观与牛顿力学的局限性
第二十二天：相对论时空观与牛顿力学的局限性相对论时空观与牛顿力学的局限性的内容的考点：1、经典力学的局限性；2、经典相对性原理；3、狭义相对论的两个基本假设；4、“同时”的相对性；5、长度的相对性；6、时间间隔的相对性及其验证；7、相对论速度变换公式；8、相对论质量。
知识点1：相对论时空观与牛顿力学的局限性一、牛顿力学时空观绝对时空观（牛顿力学时空观）：时间和空间都是独立于物体及其运动而存在的。
该观点认为时间和空间是相互独立的。
不同参考性系之间的速度变换关系满足伽利略变换，比如河中的水以相对于岸的速度v 水岸流动，河中的船以相对于水的速度v 船水顺流而下，则船相对于岸的速度为v 船岸＝v 船水＋v 水岸。
二、相对论时空观19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度等于光速c 。
1887年迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符。
爱因斯坦两个假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。
相对论的两个效应：时间延缓效应：如果相对于地面以v 运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt ，那么两者之间的关系是Δt ＝Δτ1－(v c )2。
Δt 与Δτ的关系总有Δt ＞Δτ，即物理过程的快慢(时间进程)与运动状态有关。
长度收缩效应：如果与杆相对静止的人测得杆长是l 0，沿着杆的方向，以v 相对杆运动的人测得杆长是l ，那么两者之间的关系是l ＝l 01－(v c)2。
l 与l 0的关系总有l ＜l 0，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态有关。
低速运动：通常所见物体的运动，如投出的篮球、行驶的汽车、发射的导弹等物体皆为低速运动物体。
伽利略变换关系牛顿绝对时空观
1.爱因斯坦(美籍德国人，1921*)，2.牛顿(英国)，3.麦克斯韦 (英国), 4. 玻尔(丹麦，1922)， 5.海森伯(德国，1932)，6.伽 利略(意大利)，7.费因曼(美国，1965), 8.狄拉克(英国，1933)， 9.薛定谔(奥地利，1933), 10.卢瑟福(新西兰)
经典力学的成就和局限性
三 能量的连续性与能量量子化 经典物理中，宏观物体的能量是连续变化的，但
近代物理的理论证明，能量的量子化是微观粒子的重 要特性 . ➢ 普朗克提出一维振子的能量
Enh(n1 ,2,3 )
➢ 爱因斯坦认为光子能量 h
量子力学指出，物体（微观粒子）的位置和动量
相互联系，但不能同时精确确定，并且一般作不连续
a' a z
z 牛顿伽运利略动变换定关律系牛具顿绝有对时相空同观 的形式.
位置坐标逆变换公式
速度逆变换公式
xxut y y'
zz'
t t'
S
加速度逆变换公式 S
vx v'xu vy vy
vz vz
m
a
F
m a F
F F m m a a
ax ax
牛顿运动定律具有伽利略变换的不变性
ay ay
爱因斯坦的哲学观念：自然界应 当是和谐而简单的.
理论特色：出于简单而归于深奥.
伽利略变换关系牛顿绝对时空观
1895年(16岁)：追光假想实验(如果我以速 度c追随一条光线运动，那么我就应当看到， 这样一条光线就好象在空间里振荡着而停 滞不前的电磁场。可是无论是依据经验， 还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这 样的事情。从一开始，在我直觉地看来就 很清楚，从这样一个观察者来判断，一切 都应当象一个相对于地球是静止的观察者 所看到的那样按照同样一些定律进行。)
狭义相对论
( x, y , z , t )
v
t t 0 时, O、O
重合，且在此发出闪光。
O O
P r
( x, y, z, t )
x
x
经一段时间光传到 P 点（事件）
在S中 P x, y, z , t 在S 中 P x, y, z, t
寻找
对同一客观事件 两个参考系中相应的 坐标值之间的关系
0 0
其中 0 和 0 都是与参考系无关的常数。
按照牛顿时空观点，不同参照系中观察到的光速是 不同的，因此，电磁波只能够对一个特定参照系的 传播速度为c，因而麦克斯韦方程组也就只能对该特 殊参照系成立。
这个特殊的参考系在哪？
当时的人们认为光是靠以太来传播的，只有在相对于以 太静止的参考系中成立。认为以太是绝对参考系，则它 是绝对静止的，一切物体都“浸泡”其中，地球也不例 外。物理学家设计了各种实验寻找以太参考系。
2) 光速c是常量——不论从哪个参考系中 测量
1）一些电磁学规律不服从伽利略变换。 例如
S S
v
q q
r
v
v
按照伽利略变换： 力与参考系无关
按照电磁学： S 系：静电力 f
4 0 r 2 q2
S 系：电力加磁力 f f 1 u 2 c 2 力与参考系有关！
2）光速不变 19 世纪中叶，电磁学理论给出真空中电磁波 的传播速度为 c 1
证明： 设在惯性系S中观察到A、B两事件， 分别在a、b处发生 两点相距: x xb xa
两事件发生的时间间隔: t t B t A
在惯性系S′中观察A、B两事件 （S′系相对于S系以速度u沿x轴正向运动）
xa 两点相距: x xb
牛顿的绝对时空观
牛顿的绝对时空观在牛顿的力学定律（包括惯性定律）的表达里没有明确指明，所谓“静止”、“匀速直线运动”和“运动状态的改变”是对什么参考物体来说的．在牛顿力学中“力”是物体间的相互作用，这是与参考物体无关的，不过运动状态及其改变则与参考物体有密切关系．牛顿完全理解自己理论中存有的这个薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准——绝对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态．牛顿承认，区分特定物体的绝对运动（即相对于绝对空间的运动）和相对运动，也非易事．不过，他还是提出了判据．譬如，用绳子将两个球系在一起，让它们保持在一定距离上，绕共同的质心旋转，从绳子的张力能够得知其绝对运动角速度的大小．“水桶实验”是牛顿提出的另一个更著名的实验．实验的大意如下：一个盛水的桶挂在有条扭得很紧的绳子上，然后放手，于是如下列图：（1）开始时，涌旋转得很快，但水几乎静止不动．在粘滞力经过充足的时间使它旋转起来之前，水面是平的，完全与水桶转动前一样．（2）水和桶一起旋转，水面变成凹的抛物面．（3）突然使桶停止旋转，但桶内的水还在转动，水面仍然保持凹的抛物面．牛顿就此分析道，在第（1）、（3）阶段里，水和桶都有相对运动，而在前者水是平的，后者水面凹下；在（2）、（3）阶段里，无论水和桶有无相对运动，水面都是凹下的．牛顿由此得到结论，桶和水的相对运动不是水面凹下的原因．这个现象的根本原因是水在空间里绝对运动的加速度．绝对空间在哪里？牛顿以前设想，在恒星所在的遥远的地方，或许在它们之外更遥远的地方．他提出假设，宇宙的中心是不动的，这就是他所想象的绝对空间．从现今的观点来看，牛顿的绝对时空观是不对的．不过，牛顿当时清楚地意识到，要想给惯性原理以一个确切的意义，那就必须把空间作为独立于物体惯性行为之外的原因引进来．爱因斯坦认为，牛顿引入绝对空间，对于建立地的力学体系是必要的，这是在那个时代“一位具有最高思维水平和创造力的人所能发现的唯一道路”．当代的物理教科书在讲牛顿力学时，为避免“绝对空间”的提法，都采用“惯性参考系”的概念．据考证，这想法是德国物理学家朗格（L．Lange）提出的．在牛顿力学的框架中，给惯性系下的定义是惯性定律在其中成立的一类参考系，即在此类参考系中，一个不受外力作用的物体总是作匀速直线运动的．若要再问，怎样知道一个物体没有受到外力呢？回答说，此物体离开别的物体都充足远，它在惯性系中作匀速直线运动．这里似乎出现了一个逻辑循环．不过，仔细推敲我们的表述，是可在教科书中避免这种逻辑循环的．实验说明，在一个参考系中，只要某个物体符合惯性定律，则惯性定律将对其它物体成立．我们把惯性参考系定义为“对某一特定物体惯性定律成立的参考系”，这时再说惯性定律成立的条件是惯性系，就不构成逻辑循环了．从这里我们再次看到，惯性不是个别物体的性质，而是参考系，或者说，时空的性质．下文即将论述，用“惯性参考系”替代“绝对空间”，仅仅回避了牛顿力学的困难，作为阶段性的教学考虑是可取的，但是并没有真正解决问题．这样，在牛顿力学的框架里，我们必须严格地区分“惯性”和“非惯性”两类参考系，在惯性参考系内，惯性定律和其它牛顿力学定律成立；在非惯性参考系内，牛顿三定律不成立．在所有惯性参考系之间，伽利略相对性原理成立，从而它们都是平权的．在非惯性参考系内则会出现一些“反常”现象．请看下面这段描绘．上文提到，惯性定律是不能直接用实验严格地验证的．设想有一位很严格的科学家，他相信惯性定律是能够用实验来证明或推翻的．他在水平的桌面上推动一个小球，并设法尽量消除摩擦（现代能够用气桌相当好地实现这个点），他观察到，小球确实相当精确地做匀速直线运动．正当他要宣布验证惯性定律成功时，突然发现一切突然变得反常了．原来沿直线运动的小球偏向了一边，朝房子的墙壁滚去，他自己也感到有一种奇怪的力把他推向墙去．究竟发生了什么事？原来有人和他开玩笑．这位科学家的实验室没有窗户，与外界完全隔绝．开玩笑的人安装了一种机械，能够使整个房子旋转起来．旋转一开始，就出现上述各种反常现象，于是惯性定律被推翻了．我们都看到，在非惯性参考系内的“反常”现象，是出现了一些莫名其妙的“力”，即“惯性力”．在通常的教科书中对“惯性力”的解释大意是这样的，假设在非惯性系中的观察者要坚持用牛顿定律来解释他所观察到的力学现象，他必须假想有某种“惯性力”存有．惯性力是惯性在非惯性系里的表现，它与“真实力”有区别．“真实的”力是物体间的相互作用，施力的物体必受到受力物体给它的反作用．我们说惯性力是“虚假的”，因为不存有施加此力的物体，从而也就不存有反作用力．我们在形容词“真实的”和“虚假的”上打了引号．是因为这仅仅牛顿力学的说法，在广义相对论的理论中，这种说法就不那么绝对了．在平动的加速参考系中，质点所受的惯性力ma f -=惯，在转动的参考系中静止的原点受到惯性离心力，以速度v 运动的质点除受到惯性离心力外，还受到一个科里奥利力ω⨯=mv f C 2．例如，上面谈到牛顿的两球和水桶实验，涉及到的是惯性离心力．使傅科摆摆面进动的是因地球自转引起的科里奥利力．。
伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观
三百年前，牛顿站在巨人的肩膀上，建立了动力学三 大定律。
这三大定律是构 成经典力学的理论基 础，是解决机械运动 问题的基本理论依据。
伊萨克·牛顿爵士 静静地躺在这里。 他以超人的智慧， 第一个证明了， 行星的运动和形状， 彗星的轨道和海洋的潮汐。 他孜孜不倦地研究 光线的各种不同的折射角， 颜色产生的种种性质。 对于自然，历史和圣经 他是一位勤勉，敏锐而忠实的诠释者。 他以自己的哲学证明了上帝的庄严， 并在他举止中表现了福音的淳朴 让人类欢呼吧， 曾经存在过这样一位 伟大的人类之光。
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
狭义相对论基础
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
引言： 什么是相对论？ 关于空间、时间和物质运动之间相互关系的现
代物理理论
自然和自然规律隐藏在黑暗之中， 上帝说“让牛顿降生吧”， 一切就有了光明。 三百年前，牛顿建立了动力学三大定律。
这三大定律是构成 经典力学的理论基础， 是解决机械运动问题的 基本理论依据。
v
v
u
加速度
变换公式
ax
ax
du dt
ay ay
az az
一、伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
加速度变换公式
a'x ax a'y ay
a'z az
a a'
s y s' y'
y y'
vt
o
z z
o' z' z'
u
x'
x
P(x, y, z) * (x', y', z')
何谓绝对时空观
何谓绝对时空观？答绝对时间是指时间的量度和参考系无关，绝对空间是指长度的量度与参考系无关。
这也就是说，同样两点间的距离或同样的前后两个事件之间的时间，无论在哪个惯性系中测量都是一样的。
经典力学总结了低速物体的运动规律，它反映了牛顿的绝对时空观。
绝对时空观认为时间和空间是两个独立的观念，彼此之间没有联系，分别具有绝对性。
绝对时空观认为时间与空间的度量与惯性参照系的运动状态无关，同一物体在不同惯性参照系中观察到的运动学量（如坐标、速度）可通过伽利略变换而互相联系。
这就是力学相对性原理：一切力学规律在伽利略变换下是不变的。
绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着”；“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”。
这就是牛顿力学的“绝对时间”和“绝对空间”。
这种观点统治了人类几千年。
直至今日，绝对时空观念还在影响着人类的思维方式和哲学观点，因为绝对时空世界是低速世界，几乎我们全部物理理论都是建立在“低速世界”基础之上的，这是谁也无法改变的事实。
在这一“现实”面前，物理学家们所要做的事就是把主观与“客观”的距离缩小到最小范围。
经典力学总结出哪三大守恒定律？请举出实例并分析之。
答经典力学总结出动量守恒定律，机械能守恒定律以及角动量守恒定律。
1.动量守恒定律的实例就是火箭的。
根据动量守恒定律，当一个系统向后高速射出一个小物体时，该系统就会获得与小物体相同大小但方向相反的动量，即系统将获得向前的速度。
火箭喷管收缩后的燃烧室中气体分子和燃烧室壁的碰撞次数，单位时间单位面积是没有收缩的左图中燃烧室壁的4倍。
但是在喷气口上则没有碰撞，这么多的碰撞的动量是来自于哪里呢？很显然，一个气体分子的每一次碰撞必然是遵守动量守恒定律的。
采用喷管扩张的技术来对燃气分子的热能进行第二次利用则是变成很简单的问题了。
并且会增加火箭燃料的有效利用率。
2.机械能守恒定律的实例就是如无外力做功或外力做功之和为零，系统内又只有保守力（见势能）做功时，则系统的机械能（动能与势能之和）保持不变。
绝对时空观
牛顿对绝对空间和时间的定义： 绝对空间，就其本性而言，与外界任何事物无关，
而永远是相似的和不可移动的‥‥
Absolut space, in its own nature, without relation to anything external, remains always similar and immovable‥
3
相对运动的位移关系
yy' S系 (Ox yz) 基本参考系
S’系(O'x'y'z' )运动参考系
以讨速论度参u 考平系动时S的相情对形参：考系 S
位移关系
r
rr''
D ut
oo'
y
o
P P'
*
xx'
t0
y' u Q
P
D
r r'
P'
xx'
B
60
o'
o
A
v
u
u
x'
x
在地面上的另一实验者B看到弹丸铅直向上运
动，求弹丸上升的高度．
10
例题
解 地面参考 系为 S 系，平板车
参考系为 S'系
tan vy
速度变换 vx vx u v'x
v'
y v' y'
B 60 A
o'
o
v
u
u
x'
x
vy v'y
1
牛顿的绝对时空观
绝对时空观：在经典力学中，对于不同的参考系， 时间的测量是绝对的，空间的测量也是绝对的，与 参考系无关。这就是时间和空间的绝对性。
建立牛顿绝对时空观的原理
建立牛顿绝对时空观的原理周家军(zhoujiajun)（家庭地址:广西陆川县良田镇冯杏村22队,邮编:537717） （目前所在地:广西柳州市,电子邮箱:************************）摘要:从麦克斯韦电磁方程组里电磁波传播速度的计算公式里,可推论出光线传播速度所选取的对应参照系问题及其两个重要性质,即光速不变原理和光速惯性原理.根据伽利略坐标变换,就可以建立牛顿绝对时空观.以太是存在的,人们已经在一些实验中部分证明了.只要人们稍微改变一下思维方式,就可以在实验中完完全全的证明出以太.通过对几个著名的以太实验的剖析,能够使大家很清楚的认识到,为什么有的实验相对于以太的运动可测,而有的实验相对于以太的运动不可测的原因.关键词:电磁波传播速度计算公式; 传播介质;光速不变原理;光速惯性原理;光速度速度叠加原理;斐索流水实验;霍克实验;“迈克尔逊—莫雷”光干涉实验;时间测量.1.光线传播速度的相对参照系从麦克斯韦电磁方程组里可得出电磁波的速度v =1,光线是电磁波的一种,光线的传播速度是以哪个物体为参照系呢？由这一式子里可看出,如果光线是在玻璃里,根据玻璃的磁导率μ玻璃和电容率ε玻璃,可以得出玻璃里的电磁波的速度c 玻璃,它以玻璃为参照系;如果光线是在水里,根据水的磁导率μ水和电容率ε水,可以得出水里的电磁波的速度c 水,它以水为参照系;如果光线是在空气里,根据空气的磁导率μ空气和电容率ε空气,可以得出空气里的电磁波的速度c 空气,它以空气为参照系.如果光线是在真空时,根据真空的磁导率μ真空和电容率ε真空,可以得出真空里的光传播速度c 真空,它就是以真空为参照系.2.光线传播的重要性质从麦克斯韦电磁波方程组里,可得出光线传播速度的两个重要性质. 2. 1、光线传播重要性质之一,——光速不变原理.光线在哪个介质里传播,光速度就是以哪个介质为参照系.在介质里的光线传播速度是一个恒定值,是由该介质的性质所决定的,它只与该介质的磁导率μ、电容率ε有关,与光源运动状态无关,与接收者的运动状态也无关,这即是光速不变原理.2. 2、光线传播重要性质之二,——光速惯性原理.从光线在介质里的传播速度是一个恒定值里可看出,光线传播没有惯性,与发射体（光源）运动状态无关,不遵循惯性速度叠加原理.光线没有质量,所以光线传播不具有惯性.3.光速度的速度叠加原理光速度的速度叠加原理和光速惯性原理并不相同.光速惯性原理是说光线传播没有惯性,不遵循惯性速度叠加,是针对发射体（光源）而言.光速度的速度叠加原理用于伽利略坐标变换,是针对接收者而言.光线在介质里传播,随介质的运动而运动.当观察者和介质在相同惯性系时,观察者观测到的光速度为介质里的光线传播速度.光线传播没有惯性,与发射体（光源）运动状态无关;当观察者和介质不在同一个惯性系时,对于观察者来说,光线传播速度遵循伽利略坐标变换,测量的光速度呈现出速度叠加性,他测量到的光速度为介质运动速度矢量和介质里的光速度矢量之和,即为速度叠加原理.4.以太、绝对静止参照系的存在形式讨论以太、绝对静止参照系的存在形式,需要建立一个简单的宇宙模型,即:宇宙无形,空间有形;宇宙无边,空间有边;宇宙无限,空间有限.宇宙是个无限大的体积,没有形状,没有边界,也没有运动,宇宙就是绝对静止物,任何一点都可作为宇宙的中心点.空间的体积是有限的,有形状,有边界.质量物质的存在,是空间存在的表达形式.宇宙间没有任何质量物质的地方即为真空,亦可说真空被我们称之为以太的物质所填充.真空即为绝对静止参照系,绝对静止参照系即为真空.光线在真空里传播,光速度以真空为参照系,亦是以绝对静止参照系为参照物.5.建立牛顿绝对时空观的四个原理:5.1、物理定律在任何惯性下都保持不变; 5.2、伽利略坐标变换适用于任何惯性系; 5.3、光速不变原理及光速惯性原理; 5.4、光速速度叠加原理.6.分析以太测量实验,解析牛顿绝对时空观原理.在历史上,人们做了很多以太测量实验,有肯定以太的,也有否定以太的.通过对几个著名的以太实验的剖析,能够使大家很清楚的认识到,为什么有的实验相对于以太的运动可测,而有的实验相对于以太的运动不可测的原因,以及实现可测量以太存在的实验方法.6.1菲索流水实验在这个实验里,有两个惯性系:一是空气惯性系,即地面静止惯性系;二是流水惯性系.光线在空气里传播,观察者(仪器)是在空气惯性系里.因为空气是静止的,观察者(仪器)和光线传播介质（空气）在同一个惯性系里,光线没有惯性,不呈现出速度叠加性.光线在流水里传播,流水相对于观察者(仪器)以速度v 流动,观察者(仪器)和光线传播介质（流水）不在同一个惯性系里,光线传播符合速度叠加原理,为流水速度矢量和光线速度矢量之和.假若光束1和流水方向相同,光束2和流水方向相反.光束1、光束2的光程又分别由两部份组成,一个是在空气里传播的光程,一个是在流水里传播的光程.若光线在空气传播的长度为L 空气,流水长度为L 水,光束1在空气传播的时间为t 11,在流水传播的时间为t 12,光束2在空气传播的时间为t 21,在流水传播的时间为t 22,光线在空气里的速度为c 0,光线在静止水里的速度为c 水,流水速度为v.那么可分别列出光束1、光束2的传播时间:光束1在空气的传播时间为:t 11=c L 空气光束1的流水相对光速度=c 水+v=v nc +0(n 是介质水的折射率,下同),在水流的传播时间为: t 12=vc L +水水=v nc L +0水光束2在空气的传播时间为: t 21=c L 空气光束2的流水相对光速度=c 水-v=v nc -0,在水流的传播时间为: t 22=vc L -水水=v nc L -0水流水相对光速度=c 水+v=v nc ±0光束1、光束2的传播有时间差,为: Δt=∣(t 11+t 12)- (t 21+t 22)∣=∣(c L 空气+v nc L +0水)-(c L 空气+v nc L -0水)∣=2222v nc v L -水空气是静止的,光束1、光束2在空气传播路径没有光程差.水是流动的,在流水传播路径有光程差,为: N=c 水*Δt =n c 0*22202v n c v L -水=222002v n c v c nL -水 由此可见,光的相干只和流水速度有关,与空气无关（因为空气是静止的）,与仪器的摆向也无关.当流水速度为v=0时,两者光程差N=0,没有产生干涉条纹;当流水速度为v ≠0时,两者光程差N ≠0,就产生了干涉条纹.水速v 越大,光程差就越大,可观测的干涉条纹就越明显,亦即说流水拖动了以太.这就很好的解释了菲索流水实验和霍克实验.若将流水换成其他介质,比如空气流或其他液体、气体流,同样会有相同的情况发生.特别是换成空气流时,此时n=1,干涉条纹就只与空气的流动速度有关.如果空气是静止的,以太不会被空气拖动,只有当空气有流动时,空气才会拖动以太.若将流水换为真空,则观测不出干涉条纹.这是因为两束反方向的光束在真空管里的传播时间相等,光程差N=0,所以不会出现干涉条纹.（证明略）若要用菲索流水实验观察到以太风的存在,必须将其的一段水平管（上段或下段）取消,这样两束反方向的光束在真空管里的传播时间才不相等,光程差N ≠0,才能有干涉条纹出现,这就是霍克实验.6.2用霍克实验测量以太风的方法将盛水的玻璃管改为真空的玻璃管,把玻璃管置于和地球运动速度方向平行的位置.假若光束1在玻璃管内的传播方向和地球运动速度方向相同,光束2在玻璃管内的传播方向和地球运动速度方向相反.光束1、光束2的光程又分别由两部份组成,一个是在空气里传播的光程,一个是在真空玻璃管里传播的光程.若光线在空气传播的长度为L 空气,真空玻璃管长度为L 管,光束1在空气传播的时间为t 11,在真空玻璃管传播的时间为t 12,光束2在空气传播的时间为t 21,在真空玻璃管传播的时间为t 22,光线在空气里的速度为c 0,光线在真空管里的速度为c,地球运动速度为v.那么可分别列出光束1、光束2的传播时间:光束1在空气的传播时间为:t 11=c L 空气光束1在真空玻璃管的传播时间为: t 12=vc L -管光束2在空气的传播时间为: t 21=c L 空气光束2在真空玻璃管的传播时间为: t 22=vc L +管光束1、光束2的传播时间差为: Δt=∣(t 11+t 12)- (t 21+t 22)∣=∣(c L 空气+vc L -管)-(c L 空气+vc L +管)∣=222vc v L -管空气是静止的,光束1、光束2在空气传播路径没有光程差.地球是运动的,光束1、光束2只在真空传播路径有光程差,为:N=c*Δt =c *222v c v L -管=222v c cv L -管6.3、“迈克尔逊—莫雷”的光干涉实验在这个实验里,两束光线都是在静止空气里传播,仪器和空气都是在同一个惯性系下,光线传播速度遵守光速不变原理,两束光线的行程都是相等的,不可能有行程差,干涉条纹没有产生,观测不到以太风,那是必然的.若要观测到以太风的存在,必须在地球地面的真空环境里,将仪器置于真空,使光线在真空里传播,两束光线才产生行程差,干涉条纹才会出现.假若光束1垂直于地球运动速度方向传播,光束2平行于地球运动速度方向传播,且与地球运动速度方向v 相反.光束1传播的时间为t 1,光束2传播的时间为t 2,光臂长度为s.因为光线在真空（以太）中传播,相对绝对静止参照系运动.仪器在地球表面,跟随地球一起以速度v 相对绝对静止参照系（以太）运动,也可以说绝对静止参照系（以太）以速度v 相对仪器（地球）反方向运动.仪器和以太不是在同一个惯性系里,光线传播速度符合速度叠加原理.光束1因为垂直于地球运动速度方向,光线传播相对光速度=c+0=c,光束1传播的时间为:t 1=cs 2 (因为地球运动速度的影响,光束1的发射光束和反射光束不在同一条直线上,不重归于一点,而是形成一个等腰三角形.若要发射光束和反射光束重归于一点,光束1就要和地球运动速度方向倾斜,如此一来,光线传播相对光速度就要受到影响,这是一个很复杂的问题,在此忽略不考虑.)光束2在发射段,光线传播相对光速度=c+v,在反射段,光线传播相对光速度=c-v,光束2传播的时间为:t 2=v c s v c s -++=222vc sc- 光束1、光束2传播的时间差为:Δt=∣t 1-t 1∣=∣c s 2-222v c sc -∣=)(2222v c c sv -光束1、光束2传播的光程差为:N=c*Δt=c*)(2222v c c sv -=1222-v cs 有一种可行的方法，就是在光束2路径设置一段长度为L 的真空玻璃管，光程差只和玻璃管的长度有关，光程差为:(推导略)N=)()(2220220v c c v c cc Lc -+-≈1222-v c L 6.4在地球地面,利用高精度时钟测量光线在真空的传播时间.光线的传播时间测量,也就是光线在真空传播速度测量.光线的传播方向不同,光线传播的相对光速度也不同.两束反方向的光线传播,在相同的长度内,测量到的光线传播时间是不相同的.长度越长,差别就越大.***完***参考文献:1、周家军《根据声音和光线在三种方式下的速度测量,对比声音和光线传播的相似性,以及光线的传播特性,充分论证出绝对静止参照系的存在以及其证明方法.》,请务必翻阅.2、《霍克实验》（学习网）网站。
伽利略变换关系牛顿的绝对时空观
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：“让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。 后人续写道: 上帝说完多少年之后， 魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。
15 - 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
三 理解狭义相对论中质量、动量与速度的 关系，以及质量与能量间的关系.
15 - 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
爱因斯坦成就 （1905年）
解释光电效应，提出光子说 布朗运动，分子的存在 狭义相对论
质能关系式E = mc2
相对论的时空观念与人们固有的时空观念
差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞
迈克耳逊 莫雷实验的零结果否定了“以太”的存在
1901年，考夫曼发现 粒子荷质比与粒子运动速度
有关的实验结果。
根据伽利略变换会得到许多反常现象。
15 - 1 伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达 到观察者所需要的时间. (根据伽利略变换)
球 投 出 前A
分别在S,S’系中测量同一 物体（细棒）的长度：
在两惯性系中，测得细棒 两端点坐标分别为
( x1, x2 ), ( x '1, x '2 )
根据伽利略变换，有
s
y
s'
y' v
L '
x'1
x'2 x'
o
z
o'
z'
x1
x2 x
x '1 x1 vt, x '2 x2 vt
两式相减得 x2 x1 x '2 x '1
14-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
麦氏电磁理论 伽利略变换 相对性原理
疑问2: 疑问
“以太”究竟为何物？ 以太”究竟为何物？
第十四章 相对论
14
物理学
第五版
1414-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
“以太”概念及绝对参考系 以太” 以太
光借助“ 光借助 “ 以太 媒质传播， ” 媒质传播 ， 相对于静止的 以太” “ 以太 ” ， 光 的传播各方向 速度均为c 速度均为c 。 以太”充满宇宙， （1）“以太”充满宇宙，透明而密度很 弥散在空间，无孔不入） 小（弥散在空间，无孔不入）； 具有高弹性。电磁波一般为横波， （2）具有高弹性。电磁波一般为横波， 以太应是一种固体， 以太应是一种固体， v ∝ G ρ （G是切 变模量， 是介质密度） 变模量，ρ是介质密度）； 它只在牛顿绝对时空中静止不动， （3）它只在牛顿绝对时空中静止不动， 即在特殊参照系中静止。 即在特殊参照系中静止。
1
ε 0 µ0
= 2.998×10 m/s
8
s
o
y
s'
o' z'
y'
对于两个不同的惯性 参考系 , 光速满足伽利略 变换吗 ？
ห้องสมุดไป่ตู้
v c
x' x
10
c ' = c ± v?
z
第十四章 相对论
物理学
第五版
1414-1 伽利略变换式 牛顿的绝对时空观
试计算球被投出前后的瞬间， 试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达 到观察者所需要的时间. 根据 根据伽利略变换 到观察者所需要的时间 (根据伽利略变换) 球 投 出 前 球 投 出 后
第十四章 相对论
16
牛顿绝对时空观的两个观点
牛顿绝对时空观的两个观点
牛顿的绝对时空观有两个基本的观点：
1. 绝对时间：绝对时间是普遍存在的，它不受任何物体的影响而存在。
无论是否有物体存在，时间都在持续流动。
这个观点表明时间的流逝是客观存在的，不会因为人的主观感觉而改变。
2. 绝对空间：绝对空间是一个固定的、不变的空间，不受任何物体的影响而存在。
物体的位置和运动都是相对于绝对空间而言的。
这个观点表明，空间的存在具有客观性和普遍性，任何物体都不能改变它的存在和性质。
以上两个观点构成了牛顿的绝对时空观，对于牛顿力学的发展具有重要的意义。
论牛顿“第一推动”绝对时空观与上帝观念的相容性问题
‘齐齐哈尔大学学报“(哲学社会科学版)2019年3月Journal of Qiqihar University(Phi&Soc Sci) Mar.2019 收稿日期:2018-12-15 作者简介:谢沛宏(1994-),男,在读硕士㊂主要从事分析哲学和科学哲学研究㊂论牛顿 第一推动”绝对时空观与上帝观念的相容性问题谢沛宏(武汉大学哲学学院,湖北武汉,430072)摘 要:科学和宗教经常都是相伴相随的㊂牛顿时空观和基督教上帝观念之间是否相容的案例非常具有代表性㊂对这个问题可从以下三个方面进行探讨:绝对空间是否可以作为上帝的感官㊁绝对空间的永恒存在是否会威胁到上帝的本体论地位㊁绝对时空何以可能被上帝创造㊂从而可以得出结论:牛顿时空观与上帝观念之间存在着严重的紧张关系,这种紧张关系使得牛顿学说的后续支持者弱化了上帝观念对于物理时空的解释作用,从而最终促成了彻底的机械论世界观的形成㊂关键词:科学史外史;牛顿时空观;上帝;充足理由律;机械论世界观中图分类号:B913;G304 文献标识码:A 文章编号:1008-2638(2019)03-0038-04Study on the Problem of Compatiblity about Absolute Space and Time with the Christian Conception of GodXIE Pei -hong(School of Philosophy,Wuhan University,Wuhan Hubei 430072,China) Abstract :The compatibility between Newtonian view of space and time and the Christian conception of God is selected as a casestudy in order to explore how religious ideas influence history of science.More specifically,the problem whether Newtonian view of space and time is compatible with the conception of God is discussed in the following three aspects:whether the absolute space can be as a sensory organ of God;whether the eternal existence of absolute space threatens the fundamentally ontological status of God;why the absolute space is created by God.In the end,my conclusion is:there is a serious tension between Newtonian view of space andtime and the idea of God,leading to the result that proponents of Newtonian view weakened the role of the idea of God in explaining physical space and time.Finally,the complete mechanistic worldview was thereby generated. Key words :external history of science;Newtonian view of space and time;God;principle of sufficient reason;mechanisticworldview 牛顿时空观首先是一个在科学史上占据关键地位的科学观念,它是经典力学(classic mechanics),即通常所说的牛顿力学(Newtonian mechanics)的理论基础㊂与此同时,作为关于时空的实体主义(substantivalism)的一个版本,牛顿时空观也是对于空间和时间之本性的一种经典的哲学诠释㊂本文以上帝观念在关于牛顿时空观(Newtonian view of space and time)的历史争论中的影响为案例,探讨科学史外史的观念层面,即科学观念和非科学观念在历史中的互动㊂一㊁作为科学理论的牛顿时空观一般而论,牛顿力学体系的核心内容主要是牛顿三大运动定律及其逻辑后承(logical consequents)㊂牛顿三大定律可以被表述如下:定律I:每一个物体都保持它自身的静止的或者匀速直线运动的状态,除非由外加的力迫使它改变它自身的状态为止㊂①定律II:运动的改变与外加的引起运动的力成比例,并且发生在沿着那个力被施加的直线上㊂定律III:对每个作用存在总是相反的且相等的反作用:或者两个物体彼此的相互作用总是相等的,并且指向对方㊂[1]15-16定律I 又被称为 惯性定律”(Law of Inertia),因为我们可以把它看作是对惯性这一性质的刻画㊂惯性是一个物理的倾向性质(dispositional property)㊂倾向性质是根据它的激发条件(stimulus condition)和显示(manifestation)而被刻画的㊂一个实体x持有一个倾向性质D(S,M),当且仅当:当x 满足D的激发条件S时,x倾向于(is disposed to)显示M㊂②例如,一个物体x具有可溶性,当且仅当:当x被放置在某种液体中,x倾向于溶解;类似地,一个物体x具有惯性,当且仅当:当x不受外力作用时,x倾向于维持其静止或匀速直线运动的状态㊂根据对惯性的这种倾向解释(dispositional account),我们不难发现,惯性概念实际上是牛顿三大定律,因而也是整个牛顿力学体系的核心概念之一(另一个核心概念是力的概念)㊂以上三条定律其实都可以被看作是对惯性的说明㊂定律I是在断言惯性的普遍性,因而又可以被表述为:所有的物体都具有惯性㊂定律II则是在说明,外力是如何使一个物体的惯性没有显示,从而导致其运动状态发生改变的㊂定律III则是对导致物体不显示惯性的外力作用作了进一步的说明㊂因此,为了更好地理解牛顿三大定律以及整个牛顿力学体系,我们必须要更深入地理解 惯性”这一概念的物理意义㊂因此,作为惯性概念的核心意义成分, 静止”和 匀速直线运动”这两个概念必须具有恰当的物理意义㊂在牛顿体系中,一个物体在一段时间内是静止的,当且仅当它在这段时间中始终占据着同一个空间位置;一个物体在一段时间内做匀速直线运动,当且仅当它在不同的时刻占据着不同的空间位置,并且它占据的所有空间位置的连线是一条连续的直线,而且它在相同的时间间隔中始终通过相同的空间距离㊂我们看到,这种对静止和匀速直线运动的解释必须得诉诸空间和时间的概念,并且关于空间和时间的如下三条预设也必须被满足:1.(对静止的解释要求)所有的空间点都历时持存㊂2.(对匀速直线运动的解释要求)空间具有刻画连续性的拓扑结构(topological structure),刻画直线性的仿射结构(affine structure),以及刻画距离长短的尺度结构(metric structure)㊂3.(对匀速直线运动的解释还要求)时间具有刻画连续性的拓扑结构,以及刻画时间间隔长短的尺度结构㊂③根据牛顿时空观,空间和时间是两个独立于(处在它们之中的)所有物体而存在的绝对实体㊂绝对的空间和时间是无限的(infinite);并且,它们也是同质的(homogeneous):任意两个空间或时间中的点在性质上都是不可区分的㊂牛顿时空观直接承认第一条预设,并且还假定空间和时间都具有欧氏几何结构(Euclidean geometric structure),从而也满足了第二和第三条预设㊂因此,牛顿时空观能够为 静止”㊁ 匀速直线运动”以及 惯性”等概念赋予恰当的物理意义,并进而为以三大运动定律为核心的整个牛顿力学体系奠基㊂需要指出的是,牛顿的绝对时空观对于牛顿力学体系是充分的,但不是必要的,因为前者比后者包含了更多的理论假定㊂第一,绝对时空观假定物理时空具有欧氏几何结构,但牛顿运动定律也是可以在第五公设为假的某些非欧时空中成立的㊂[2]8第二,空间点持存的预设对牛顿力学体系也不是必要的㊂不难看到,这条预设的物理意义是要确保静止和运动的区分在物理学解释中的合法性㊂然而,不借助这一区分,牛顿三大定律也同样可以被表述,并且其物理意义几乎没有任何损失㊂④因此,牛顿力学体系并不真正要求这一条预设㊂第三,我们还应该留意到牛顿时空具有两个关键的特征:一是绝对空间的持存性和无限性,二是绝对时空的同质性㊂对这两个时空特征的承诺,使得牛顿时空观遭遇了来自哲学以及宗教方面的严重质疑㊂二、绝对空间与上帝的感知牛顿的绝对时空观不仅是一个科学理论,还是一个哲学理论,即一种关于时空的实体主义㊂牛顿相信,空间和时间是无限的㊁同质的,且独立于其他物体而存在的实体㊂这些关于时空的哲学假定,在科学史乃至哲学史中引起了广泛的争议㊂这些争议都与基督宗教的上帝观念息息相关,并最终共同地指向一个根本性的问题:绝对时空观与上帝观念是相容的吗?对17-18世纪的思想家们来说,这是一个相当严重的问题㊂毕竟,在当时的宗教意识形态氛围中,人们是很难接受与上帝观念不相容的科学和哲学理论的㊂我们首先来探讨第一个方面的争议㊂为了避免无神论的指控,牛顿试图将绝对时空与上帝的存在方式(在这里主要指上帝的感知方式)联系在一起㊂牛顿认为,绝对空间是上帝的感觉中枢㊂上帝有能力直接感知到处于其感觉中枢中的任何物体㊂[3]222[4]4作为绝对时空观的主要反对者,莱布尼茨有理由对上帝的感知与绝对空间的这种联系表示不满㊂在他与克拉克(S. Clarke)论争的第一封信中,他写道: 伊萨克㊃牛顿爵士说空间是上帝用来感知事物的器官㊂但如果上帝需要某种手段来感知它们,它们就不是完全依赖于他,也不是他的产物了㊂”(译文略有改动)[4]1莱布尼茨认为,任何感知主体,对于完全依赖于它或是由它产生的对象,都具有直接的感知㊂然而,如果绝对空间是上帝的感官,以至于上帝必须依赖于绝对空间才能感知事物,那么,上帝对事物的感知就不可能(如牛顿所说)是直接的,从而事物也就不可能是完全依赖于上帝的对象,或是上帝的产物㊂这个推论显然与 上帝是世界的创造者”这一宗教哲学观念不相容㊂牛顿的忠实追随者克拉克代替牛顿回应了莱布尼茨的质疑㊂克拉克认为, 绝对空间是上帝的感觉中枢”这种说法,不能以字面意思被理解,而应该被当成是一个 比喻”(similitude)㊂[4]4绝对空间确实与上帝的感知有关,但它并不真的是上帝的某种感官或感知媒介㊂正如关于各种事物的心灵图像(mental images)呈现于人类心灵的剧场中,使得人类心灵得以直接感知它们一样;各种物体则是呈现于绝对空间中,使得上帝得以直接感知到它们㊂对于人类心灵而言,可感对象是关于物体的心灵图像;但对于上帝来说,可感对象就是物体本身㊂绝对空间并不在上帝的感知过程中扮演任何重要的角色;相反,它只不过表征了上帝的直接感知的范围㊂上帝能够直接感知到在这个范围内出现的所有物体,而这个范围是无限的㊂由此我们可以看到,借助关于人类心灵的 笛卡尔剧场”(Cartesian theater)式的理解[5]以及上帝和人类心灵的类比,克拉克成功地回应了莱布尼茨关于绝对空间和上帝不相容的难题㊂然而,这仅仅是第一步,因为关于绝对空间的持存性和无限性的假定,会使得这一不相容难题再次出现㊂93 第3期论牛顿 第一推动”绝对时空观与上帝观念的相容性问题三㊁绝对空间和上帝的本体论地位关于牛顿时空观和上帝观念的相容性问题,第二个方面的争议关注的是上帝的本体论地位㊂根据基督宗教的神学世界观,上帝处于本体论层级的最底层,上帝的存在要比其他一切事物的存在更为根本㊂上帝为在他之外的所有实体提供了存在的根据(ground),使得那些实体的存在都不得不依赖于上帝的存在㊂基于这一神学本体论的图景,莱布尼茨提出了对牛顿时空观的第二个反驳㊂根据牛顿时空观的假定,绝对空间是无限的㊂换言之,绝对空间是由无限多的空间点构成的㊂并且,所有的空间点都是历时持存的㊂由于没有理由对空间点的持存进行限制,因此,牛顿时空观也应该承诺,所有的空间点以及绝对空间本身都是永恒存在的㊂但是,莱布尼茨认为,对绝对空间的无限性和永恒性的承诺,与上帝的本体论地位相冲突,因为这一承诺蕴涵着 在上帝之外还有无限多的永恒的东西”,[4]33即无限多的永恒的空间点㊂如果莱布尼茨的反驳是合理的,那么他不得不预设这样一条形而上学假定:永恒的存在物处于本体论层级的最底层,它(或它们)的存在是最根本的㊂根据这条假定,牛顿时空观对无限多的永恒空间点的承诺实际上意味着:在上帝之外,还存在着无限多的实体,并且它们与上帝的存在是同样根本的㊂作为与上帝同样根本的存在物,空间点是不可能依赖于上帝的存在而存在的,更不用说它们是被上帝创造的了㊂因此,莱布尼茨相信,牛顿时空观是与关于上帝的本体论观念相冲突的㊂事实上,如果我们仔细考察‘自然哲学的数学原理“中的 总释”部分,我们会发现,牛顿已经预先给出了对莱布尼茨的反驳的回应㊂牛顿写道: 他[按:上帝]永恒持续,且无所不在,且通过他永久的和到处的存在,构成持续和空间㊂”[1]649牛顿的观点是,绝对时空是由上帝构成的㊂存在于绝对空间中的物体,也就是直接存在于上帝之中㊂类似地,正如伯特(Edwin Arthur Burtt)所指出的, 在绝对空间中运动的物体或太阳系的重心 是在上帝之中运动”㊂[3]221因此,严格来说,无限多的永恒的空间点,或是无限的㊁永恒的绝对空间,并不存在于上帝之外㊂借助于绝对空间和上帝之间的构成关系(relation of constitution),牛顿可以回应莱布尼茨的不相容性反驳㊂关于绝对空间被上帝构成这一主张是否合理,还有很多争论的余地㊂但是,笔者认为,还有另一种更合理㊁也更直接的回应,即直接否定 永恒的存在物是最根本的”这一形而上学假定㊂我们可以主张,不是所有的永恒存在物都处于本体论层级的最底层,都是最根本的存在物㊂只有上帝是唯一处于本体论层级最底层的永恒存在物㊂除此之外,所有其他的永恒存在物(如果有的话)都依赖于上帝而存在,它们都是由上帝创造出来的㊂例如,空间点是永恒的存在物,但不是最根本的存在物:它们的存在不得不依赖于唯一的㊁最根本的存在物,即上帝㊂永恒存在物是最基本的存在物”这一假定之所以是不恰当的,是因为它会导致任何承诺某种永恒存在物的哲学理论都会与上帝存在的唯一的根本性相冲突㊂例如,数学柏拉图主义(Mathematical Platonism)也宣称某些实体具有永恒的存在㊂数学柏拉图主义者认为,所有的数学对象(例如数或几何结构)都是真实存在的实体㊂并且,与空间点的情况相似,任一数学对象,除非它与某些数学真理不一致,否则我们也没有任何理由对它的持存(persistence)进行限制㊂因此,数学对象的存在都是永恒的,并且这样的永恒存在物有无穷多个㊂然而,如果永恒存在物都是最根本的存在物,那么柏拉图主义者将不得不承认,存在着无限多的㊁与上帝的存在同样根本的实体,这显然与基督宗教的神学观念相悖㊂因此,通过拒绝上述假定,我们不仅可以说明绝对时空观,还可以说明数学柏拉图主义等其他重要的哲学理论,是可以和基督宗教的上帝观念相容的,这显然是一种对不相容难题的更为彻底的㊁也更有前景的回应㊂四㊁绝对时空的创造与充足理由律基督宗教的世界观认为,在上帝之外的所有存在物,都是由上帝创造的㊂尽管有不少基督教思想家(包括克拉克)认为,上帝仅凭自己的意志或意愿就可以创造在他之外的所有实体和关系,但是,(同样深受基督宗教影响的)莱布尼茨认为,上帝的创造行为必须有充足的理由,必须遵循一条被称为 充足理由律”的原则㊂根据莱布尼茨的表述,充足理由律是说, 要是没有一个为什么事情是这样而不是那样的充足理由,则什么事也不能发生㊂”[4]17根据充足理由律,上帝必须有充足的理由,才能创造一个绝对时空,并且所有的物质在其中处于它们当前所处的位置㊂然而,莱布尼茨认为,上帝缺乏这样的充足理由,理由如下:根据牛顿时空观,绝对的时间和空间都是同质的实体,换言之,无论是在绝对的时间抑或空间之中,任意两个点都是在性质上不可区分的㊂这就意味着,即使我们将当前处于绝对时空中的所有物质整体性地(holistically)向任意一个方向平移一段间隔(例如向东平移5米),由此产生的关于整个物质系统的新安排,与原先的安排相比,在性质上不会有任何差异㊂那么,上帝有什么理由以当前的方式,而不是以另外某种可能的方式,来安放处于绝对时空中的物质呢?莱布尼茨由此得到一个推论:根据充足理由律,如果时间和空间真的是如牛顿时空观所承诺的绝对实体,那么以特定方式安置所有物质的任何一种时间或空间,即使是可能的,也不会被上帝实际创造出来㊂这就是莱布尼茨反对牛顿时空观的一个著名论证㊂这个论证是神学的,因为它涉及到关于上帝的创造行为的假定㊂后世的一些哲学家例如福布斯(G. Forbes)认为,虽然莱布尼茨将充足理由律论证表述为一个神学论证,但它在本质上并不是神学的㊂[5]81也就是说,这个论证可以以一种不预设任何神学原则的方式被重述(refor⁃mulate):由于绝对时空的同质性,在同一个绝对的时间或空间中,所有的物质安排都是性质上不可区分的,那么,物质为什么以当前的方式,而不是以另外的方式在绝对时间或空间中被安排,就缺乏充分的物理学解释(explanation)㊂因此,牛顿时空观不是一种关于时空本性的合理说明㊂笔者认为,对充足理由律论证的这种重述是恰当的,仅当我们对充足理由律中的 理由”采取一种发生学的阐释㊂04齐齐哈尔大学学报(哲学社会科学版) 根据这种阐释,一个事态存在的 理由”就是生成它的原因(causes);并且,这些原因不仅是那个事态本身的特征,还包含外在环境的特征以及自然律(laws of nature)㊂如果我们把 理由”理解成 原因”,那么确实如福布斯所言,莱布尼茨的充足理由律其实只是一个关于因果解释的 恰当性条件”㊂[5]81但是,我们应该注意到,发生学阐释并不是对充足理由律中的 理由”的唯一合理的阐释㊂莱布尼茨的神正论(theodicy)也为 充足理由”的观念提供了另一种道德意义上的阐释,这种阐释是与上帝的至善性息息相关的㊂神正论的核心内容是回应 恶的问题”(Problem of E⁃vil):上帝何以可能容许存在于我们的世界中如此之多的自然之恶和人为之恶?如果上帝是至善的,那么,上帝又是否是出于某种道德考量才容忍这些恶的存在?莱布尼茨的探讨最终导向了一个非常著名的论断: 上帝已经选择了所有可能世界中最好的那个”(原文为:God has chosen the best of all possible worlds)㊂[6]232这里的 好”应该被理解为一种道德上的 善”㊂联系到这一论断,我们可以采取一种伦理学的阐释,即把充足理由律中的 理由”阐释为 道德理由”㊂根据这种阐释,莱布尼茨的论证可以被理解为,时空之所以不可能是绝对的实体,是因为上帝无法给出充分的道德依据,以证明创造具有某一种物质安排的绝对时空是道德上最好的选择㊂对充足理由律的伦理学阐释使得关于莱布尼茨论证的讨论不再与因果解释的恰当性有关,而是完全转向神正论的领域㊂牛顿时空观的捍卫者是否能够回应伦理学意义上的充足理由律论证,是令人怀疑的㊂毕竟,对于两个物质安排不同,但在性质上却不可区分的时空而言,要揭示它们的道德差异是很困难的㊂这里的关键问题在于,实然的领域与应然的领域之间具有怎样的联系?这个根本性的问题不仅仅是牛顿时空观的问题,更是伦理学的一个根本问题㊂综上,作为一个重要的科学观念,牛顿时空观涉及到对时空的本性,以及对整个实在的理解,因而不可避免地与宗教世界观特别关于上帝的一系列观念发生碰撞㊂在牛顿时空观之被提出和发展的那个时代,很多人都持有这样一些(在他们看来是)合理的关于上帝的信念:上帝具有不受限制的感知能力,能够感知所有存在的对象;上帝是最根本的㊁无限的和永恒的存在,是其他一切存在物存在的根据;整个世界是由上帝所创造的;上帝要么是凭借他的意志(克拉克),要么就是基于某些充足理由(莱布尼茨),来创造世界的㊂所有这些关于上帝的信念汇合在一起,对牛顿时空观提出了严峻的挑战㊂在回应这些挑战的过程中,牛顿时空观的捍卫者也进一步完善了他们的理论㊂他们或者是提供了更可靠的经验证据,从而促进了科学本身的发展;或者是发展出了可行的哲学策略,从而激发了更有趣的哲学讨论㊂通过这场历史争论,我们也可以更好地理解牛顿的绝对时空观本身㊂就其最初的表述来看,绝对时空观无疑是具有某种宗教成分的:能够感知并创造物体的上帝,对于牛顿来说是一个必要的理论推设(theoretical posit)㊂因此,当莱布尼茨等人从当时的上帝观念出发对绝对时空观发出挑战时,他们的做法也在实质上削弱了时空观念与上帝观念之间的关联,从而促成了完全的㊁彻底的机械论世界图景的形成㊂ 注释: (1)参照Maudlin (2012)给出的翻译,笔者对定律I 的译文作了改动,见Maudlin (2012):P4.(2)这种根据激发条件和显示对倾向性质的刻画,参见Bird (2007):P3.(3)关于这些预设的更详尽的说明,参见Maudlin (2012):P4-12.(5)例如,伽利略时空(Galilean space-time )正是一个放弃了空间点持存的预设,但牛顿力学体系依然成立的时空结构㊂牛顿力学定律在伽利略时空中依然成立,但不要求对静止和匀速直线运动做出区分㊂关于伽利略时空,见Maudlin (2012),第三章;Dasgupta (2015):P613.(5)关于 笛卡尔剧场”,参见Dennett (1991),第五章㊂(6)另一个由莱布尼茨提出的著名论证需要诉诸不可区分的同一性原则(principleof identity of indiscernibles )㊂这一原则是说,对任意两个对象a 和b ,如果a 和b 具有完全相同的性质,那么,a 同一于b ㊂莱布尼茨相信,绝对时空的假设也违背了这一原则㊂ 参考文献: [1]牛顿.自然哲学的数学原理[M ].赵振江,译.北京:商务印书馆,2006.[2]Maudlin ,T.Philosophy of Physics :Space and Time [M ].Princeton :Princeton University Press ,2012.[3]埃德温㊃阿瑟㊃伯特.近代物理科学的形而上学基础[M ].张卜天,译.长沙:湖南科学技术出版社,2012.[4]莱布尼茨与克拉克论战书信集[M ].陈修斋,译.北京:商务印书馆,1996.[5]Forbes ,G.Time ,Events ,and Modality [A ]//R.Le Poidevin &M.MacBeath (eds.),The Philosophy of Time [C ].Ox⁃ford :Oxford University Press ,1993.[6]Leibniz ,G.W.Theodicy :Essays on the Goodness of God ,the Freedom of Man and the Origin of Evil [M ].Translated byE.M.Huggard.Charleston :BiblioBazaar ,2007.(责任编辑 董翔薇)14 第3期论牛顿 第一推动”绝对时空观与上帝观念的相容性问题。
15-1 伽利略变换关系 牛顿的绝对时空观
z' z
y' y
t't x ' x vt
x z z 时间的测量是绝对的 若沿 x 轴放一细棒,求 S和 S 系中的长度
o
vt
o' z' z'
1
x' 2
( x, y , z , t ) P* ( x ', y ', z ', t )
x' x
, x2 ), S ( x1 , x2 ) 棒两端的坐标为: S ( x1
c' c v?
伽利略变换 相对性原理 电磁规律
不和谐
15-1
伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
第十五章
相对论
试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达 到观察者所需要的时间. (根据伽利略变换) 球 投 出 前 球 投 出 后
c
A
d
d t1 c B
v c v
A
d t 2 cv
t1 t 2
B
结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.
x
x' x
伽利略相 对性原理
质点的速度与惯性系有关 3. 加速度变换公式
a'x a x
a' y a y
F ma
a a'
F ma '
a'z az
在两相互作匀速直线运动的惯性 系中，牛顿运动定律具有相同的形式.
15-1
伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难
引言
19世纪末，以牛顿力学（经典力学）、麦克斯韦电 磁场理论（经典电动力学）为代表的经典物理学发展到 了相当完善的程度，在实际应用中取得了空前的成功。 1900年著名的英国物理学家开尔文，这样展望着 二十世纪的物理学：“在物理学晴朗天空的远处，还 有两朵令人不安的乌云 ”。 迈克尔孙莫雷实验 建立了狭义相对论 黑体辐射 实验 建立了量子力学
4-1 牛顿力学的绝对时空观和相对性原理
S
y
z z t t
z z t t
r
o
o
v
S
P
r
x
x
第4章 狭义相对论基础 伽利略变换式中 t = t ，表示在所有惯性系中 时间是相同的 ， 即时间与参考系的运动状态无关 ， 时间是绝对的。 在所有惯性系中时间间隔也是相同的，t = t , 即在伽利略变换下时间间隔是绝对的。 伽利略变换中还有一个不变量，即任意确定时刻， 空间两点间的长度对所有惯性系是不变的。 在同一时刻，空间两点间的长度在两个惯性系中为
x u x y y z z
第4章 狭义相对论基础 将（4-1-5a）式对时间求导数，就得到经典力学中 的加速度变换法则为
大普物理学 刘成林等编
a x ax a y ay az az
其矢量形式为：
a a
大普物理学 刘成林等编
狭义相对论涉及力学、电磁学、原子和原子核物理 学以及粒子物理学等乃至整个物理学的领域，导致了 物理学发展史上的一次深刻的变革。
第4章 狭义相对论基础
大普物理学 刘成林等编
1 牛顿力学的绝对时空观 牛顿认为“绝对的真实的数学时间，就其本质而言 ，是永远均匀地流着，与任何外界事物无关。”“ 绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的， 它从不运动，而且永远不变。”上述关于时间和空 间的两个假设构成了经典力学的绝对时空观。 按照这种观点，时间和空间是彼此独立、互不相关 且独立于物质运动之外的某种东西。 2 伽利略变换 伽利略相对性原理 对于经典力学规律，所有惯性系都是等价的，也 就是说经典力学的基本方程式在所有惯性系中都具 有相同的数学形式。
第4章 狭义相对论基础 3 经典力学的相对性原理
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
建立牛顿绝对时空观的原理周家军(zhoujiajun)（家庭地址:广西陆川县良田镇冯杏村22队,邮编:537717） （目前所在地:广西柳州市,电子邮箱:************************）摘要:从麦克斯韦电磁方程组里电磁波传播速度的计算公式里,可推论出光线传播速度所选取的对应参照系问题及其两个重要性质,即光速不变原理和光速惯性原理.根据伽利略坐标变换,就可以建立牛顿绝对时空观.以太是存在的,人们已经在一些实验中部分证明了.只要人们稍微改变一下思维方式,就可以在实验中完完全全的证明出以太.通过对几个著名的以太实验的剖析,能够使大家很清楚的认识到,为什么有的实验相对于以太的运动可测,而有的实验相对于以太的运动不可测的原因.关键词:电磁波传播速度计算公式; 传播介质;光速不变原理;光速惯性原理;光速度速度叠加原理;斐索流水实验;霍克实验;“迈克尔逊—莫雷”光干涉实验;时间测量.1.光线传播速度的相对参照系从麦克斯韦电磁方程组里可得出电磁波的速度v =1,光线是电磁波的一种,光线的传播速度是以哪个物体为参照系呢？由这一式子里可看出,如果光线是在玻璃里,根据玻璃的磁导率μ玻璃和电容率ε玻璃,可以得出玻璃里的电磁波的速度c 玻璃,它以玻璃为参照系;如果光线是在水里,根据水的磁导率μ水和电容率ε水,可以得出水里的电磁波的速度c 水,它以水为参照系;如果光线是在空气里,根据空气的磁导率μ空气和电容率ε空气,可以得出空气里的电磁波的速度c 空气,它以空气为参照系.如果光线是在真空时,根据真空的磁导率μ真空和电容率ε真空,可以得出真空里的光传播速度c 真空,它就是以真空为参照系.2.光线传播的重要性质从麦克斯韦电磁波方程组里,可得出光线传播速度的两个重要性质. 2. 1、光线传播重要性质之一,——光速不变原理.光线在哪个介质里传播,光速度就是以哪个介质为参照系.在介质里的光线传播速度是一个恒定值,是由该介质的性质所决定的,它只与该介质的磁导率μ、电容率ε有关,与光源运动状态无关,与接收者的运动状态也无关,这即是光速不变原理.2. 2、光线传播重要性质之二,——光速惯性原理.从光线在介质里的传播速度是一个恒定值里可看出,光线传播没有惯性,与发射体（光源）运动状态无关,不遵循惯性速度叠加原理.光线没有质量,所以光线传播不具有惯性.3.光速度的速度叠加原理光速度的速度叠加原理和光速惯性原理并不相同.光速惯性原理是说光线传播没有惯性,不遵循惯性速度叠加,是针对发射体（光源）而言.光速度的速度叠加原理用于伽利略坐标变换,是针对接收者而言.光线在介质里传播,随介质的运动而运动.当观察者和介质在相同惯性系时,观察者观测到的光速度为介质里的光线传播速度.光线传播没有惯性,与发射体（光源）运动状态无关;当观察者和介质不在同一个惯性系时,对于观察者来说,光线传播速度遵循伽利略坐标变换,测量的光速度呈现出速度叠加性,他测量到的光速度为介质运动速度矢量和介质里的光速度矢量之和,即为速度叠加原理.4.以太、绝对静止参照系的存在形式讨论以太、绝对静止参照系的存在形式,需要建立一个简单的宇宙模型,即:宇宙无形,空间有形;宇宙无边,空间有边;宇宙无限,空间有限.宇宙是个无限大的体积,没有形状,没有边界,也没有运动,宇宙就是绝对静止物,任何一点都可作为宇宙的中心点.空间的体积是有限的,有形状,有边界.质量物质的存在,是空间存在的表达形式.宇宙间没有任何质量物质的地方即为真空,亦可说真空被我们称之为以太的物质所填充.真空即为绝对静止参照系,绝对静止参照系即为真空.光线在真空里传播,光速度以真空为参照系,亦是以绝对静止参照系为参照物.5.建立牛顿绝对时空观的四个原理:5.1、物理定律在任何惯性下都保持不变; 5.2、伽利略坐标变换适用于任何惯性系; 5.3、光速不变原理及光速惯性原理; 5.4、光速速度叠加原理.6.分析以太测量实验,解析牛顿绝对时空观原理.在历史上,人们做了很多以太测量实验,有肯定以太的,也有否定以太的.通过对几个著名的以太实验的剖析,能够使大家很清楚的认识到,为什么有的实验相对于以太的运动可测,而有的实验相对于以太的运动不可测的原因,以及实现可测量以太存在的实验方法.6.1菲索流水实验在这个实验里,有两个惯性系:一是空气惯性系,即地面静止惯性系;二是流水惯性系.光线在空气里传播,观察者(仪器)是在空气惯性系里.因为空气是静止的,观察者(仪器)和光线传播介质（空气）在同一个惯性系里,光线没有惯性,不呈现出速度叠加性.光线在流水里传播,流水相对于观察者(仪器)以速度v 流动,观察者(仪器)和光线传播介质（流水）不在同一个惯性系里,光线传播符合速度叠加原理,为流水速度矢量和光线速度矢量之和.假若光束1和流水方向相同,光束2和流水方向相反.光束1、光束2的光程又分别由两部份组成,一个是在空气里传播的光程,一个是在流水里传播的光程.若光线在空气传播的长度为L 空气,流水长度为L 水,光束1在空气传播的时间为t 11,在流水传播的时间为t 12,光束2在空气传播的时间为t 21,在流水传播的时间为t 22,光线在空气里的速度为c 0,光线在静止水里的速度为c 水,流水速度为v.那么可分别列出光束1、光束2的传播时间:光束1在空气的传播时间为:t 11=c L 空气光束1的流水相对光速度=c 水+v=v nc +0(n 是介质水的折射率,下同),在水流的传播时间为: t 12=vc L +水水=v nc L +0水光束2在空气的传播时间为: t 21=c L 空气光束2的流水相对光速度=c 水-v=v nc -0,在水流的传播时间为: t 22=vc L -水水=v nc L -0水流水相对光速度=c 水+v=v nc ±0光束1、光束2的传播有时间差,为: Δt=∣(t 11+t 12)- (t 21+t 22)∣=∣(c L 空气+v nc L +0水)-(c L 空气+v nc L -0水)∣=2222v nc v L -水空气是静止的,光束1、光束2在空气传播路径没有光程差.水是流动的,在流水传播路径有光程差,为: N=c 水*Δt =n c 0*22202v n c v L -水=222002v n c v c nL -水 由此可见,光的相干只和流水速度有关,与空气无关（因为空气是静止的）,与仪器的摆向也无关.当流水速度为v=0时,两者光程差N=0,没有产生干涉条纹;当流水速度为v ≠0时,两者光程差N ≠0,就产生了干涉条纹.水速v 越大,光程差就越大,可观测的干涉条纹就越明显,亦即说流水拖动了以太.这就很好的解释了菲索流水实验和霍克实验.若将流水换成其他介质,比如空气流或其他液体、气体流,同样会有相同的情况发生.特别是换成空气流时,此时n=1,干涉条纹就只与空气的流动速度有关.如果空气是静止的,以太不会被空气拖动,只有当空气有流动时,空气才会拖动以太.若将流水换为真空,则观测不出干涉条纹.这是因为两束反方向的光束在真空管里的传播时间相等,光程差N=0,所以不会出现干涉条纹.（证明略）若要用菲索流水实验观察到以太风的存在,必须将其的一段水平管（上段或下段）取消,这样两束反方向的光束在真空管里的传播时间才不相等,光程差N ≠0,才能有干涉条纹出现,这就是霍克实验.6.2用霍克实验测量以太风的方法将盛水的玻璃管改为真空的玻璃管,把玻璃管置于和地球运动速度方向平行的位置.假若光束1在玻璃管内的传播方向和地球运动速度方向相同,光束2在玻璃管内的传播方向和地球运动速度方向相反.光束1、光束2的光程又分别由两部份组成,一个是在空气里传播的光程,一个是在真空玻璃管里传播的光程.若光线在空气传播的长度为L 空气,真空玻璃管长度为L 管,光束1在空气传播的时间为t 11,在真空玻璃管传播的时间为t 12,光束2在空气传播的时间为t 21,在真空玻璃管传播的时间为t 22,光线在空气里的速度为c 0,光线在真空管里的速度为c,地球运动速度为v.那么可分别列出光束1、光束2的传播时间:光束1在空气的传播时间为:t 11=c L 空气光束1在真空玻璃管的传播时间为: t 12=vc L -管光束2在空气的传播时间为: t 21=c L 空气光束2在真空玻璃管的传播时间为: t 22=vc L +管光束1、光束2的传播时间差为: Δt=∣(t 11+t 12)- (t 21+t 22)∣=∣(c L 空气+vc L -管)-(c L 空气+vc L +管)∣=222vc v L -管空气是静止的,光束1、光束2在空气传播路径没有光程差.地球是运动的,光束1、光束2只在真空传播路径有光程差,为:N=c*Δt =c *222v c v L -管=222v c cv L -管6.3、“迈克尔逊—莫雷”的光干涉实验在这个实验里,两束光线都是在静止空气里传播,仪器和空气都是在同一个惯性系下,光线传播速度遵守光速不变原理,两束光线的行程都是相等的,不可能有行程差,干涉条纹没有产生,观测不到以太风,那是必然的.若要观测到以太风的存在,必须在地球地面的真空环境里,将仪器置于真空,使光线在真空里传播,两束光线才产生行程差,干涉条纹才会出现.假若光束1垂直于地球运动速度方向传播,光束2平行于地球运动速度方向传播,且与地球运动速度方向v 相反.光束1传播的时间为t 1,光束2传播的时间为t 2,光臂长度为s.因为光线在真空（以太）中传播,相对绝对静止参照系运动.仪器在地球表面,跟随地球一起以速度v 相对绝对静止参照系（以太）运动,也可以说绝对静止参照系（以太）以速度v 相对仪器（地球）反方向运动.仪器和以太不是在同一个惯性系里,光线传播速度符合速度叠加原理.光束1因为垂直于地球运动速度方向,光线传播相对光速度=c+0=c,光束1传播的时间为:t 1=cs 2 (因为地球运动速度的影响,光束1的发射光束和反射光束不在同一条直线上,不重归于一点,而是形成一个等腰三角形.若要发射光束和反射光束重归于一点,光束1就要和地球运动速度方向倾斜,如此一来,光线传播相对光速度就要受到影响,这是一个很复杂的问题,在此忽略不考虑.)光束2在发射段,光线传播相对光速度=c+v,在反射段,光线传播相对光速度=c-v,光束2传播的时间为:t 2=v c s v c s -++=222vc sc- 光束1、光束2传播的时间差为:Δt=∣t 1-t 1∣=∣c s 2-222v c sc -∣=)(2222v c c sv -光束1、光束2传播的光程差为:N=c*Δt=c*)(2222v c c sv -=1222-v cs 有一种可行的方法，就是在光束2路径设置一段长度为L 的真空玻璃管，光程差只和玻璃管的长度有关，光程差为:(推导略)N=)()(2220220v c c v c cc Lc -+-≈1222-v c L 6.4在地球地面,利用高精度时钟测量光线在真空的传播时间.光线的传播时间测量,也就是光线在真空传播速度测量.光线的传播方向不同,光线传播的相对光速度也不同.两束反方向的光线传播,在相同的长度内,测量到的光线传播时间是不相同的.长度越长,差别就越大.***完***参考文献:1、周家军《根据声音和光线在三种方式下的速度测量,对比声音和光线传播的相似性,以及光线的传播特性,充分论证出绝对静止参照系的存在以及其证明方法.》,请务必翻阅.2、《霍克实验》（学习网）网站。