牛顿的时空观

牛顿的时空观

牛顿的绝对空间和绝对时间。通常，为确定一物体的大小，要知其形状和尺寸。对于长方体，知其长、宽和高，利用欧几里得几何的公式就可计算其体积。为了确定一个可忽略大小的物体的位置，只要知道它相对于另一个可忽略大小的静止参照物的上下、左右和前后距离，同样利用欧几里得几何就足够了。

描述运动物体，瞬间位置还不够，还需要知道瞬间的速度和加速度。由此，可抽象出三维空间坐标系和一维时间坐标的概念。物体的运动性质和规律，与采用怎样的空间坐标系和时间坐标来度量有着密切的关系。

相对于惯性参考系(惯性系)，惯性定律才成立。为了确定惯性系，牛顿抽象出三维绝对空间和一维绝对时间的观念。绝对空间满足三维欧几里得几何，绝对时间均匀流逝，它们的本性是与在其中的任何具体物体及其运动无关的。相对于绝对空间的静止或匀速直线运动的物体为参照物的坐标系，才是惯性系。

在经典力学中，任意一个物体对于不同的惯性坐标系的空间坐标量和时间坐标量之间满足伽利略变换。在这组变换下，位置、速度是相对的;空间长度、时间间隔、运动物体的加速度是绝对的或不变的。

时间测量中的同时性也是不变的：相对于某一个惯性系的两个事件是否同时发生是不变的。相对于某一个惯性系同时发生的两个事件，相对于其他惯性系也必定是同时的，称为同时性的绝对性。

牛顿力学的所有规律，包括万有引力定律，在伽利略变换下其形式是不变的。这一点可以抽象为伽利略相对性原理:力学规律在惯性系的变换下形式不变。同时，不变性与守恒律密切相关。运动物体在伽利略变换下的时间平移不变性，对应于该物体的能量守恒;在伽利略变换下的空间平移和空间转动不变性，对应于该物体的动量守恒和角动量守恒。

牛顿力学定律及其在伽利略变换下的不变性，促成对牛顿的绝对空间概念的怀疑。如果存在绝对空间，物体相对于绝对空间的运动就应当是可以测量的。这相当于要求某些力学运动定律中应含有绝对速度。

但是，在牛顿力学规律中并不含绝对速度。换言之，牛顿力学定律的正确性，并不要求一定存在绝对空间。在牛顿提出绝对空间概念之后，先后有人对这种观念提出异议。

事实上，没有有力的证据表明存在绝对空间。然而，随着牛顿力学和万有引力定律的极大成功，牛顿的绝对空间和绝对时间的概念，也一直在自然科学界和哲学界占据主导地位。

但是，在牛顿体系中无法建立简单的宇宙图像。一种简单的宇宙图像是:在无限大的绝对空间和无穷长的绝对时间中，无限多恒星或星系在其中大体静止，平均光度大致均匀。然而，这种朴素的宇宙图景，在万有引力的作用下是不稳定的，而且连为什么夜间天空是黑暗的这样简单的问题，都无法回答。

19世纪麦克斯韦总结出电磁学的基本规律--麦克斯韦方程组，这组方程中出现了光速C。随后又发现了电磁波。

受牛顿绝对空间和绝对时间观念支配的物理学界，自然认为在绝对空间中充满着光以太，麦克斯韦方程仅在相对于绝对空间静止的惯性系中成立，电磁波是光以太的波动。这种观念的必然推论是，在地球这个相对于绝对空间运动的系统中，麦克斯韦方程仅近似成立。

电磁学或光学实验应该能够测量出地球相对于光以太的漂移速度。但是，所有这类实验都得到否定的结果。这表明，忽略地球的非惯性运动的效应，麦克斯韦方程仍成立，并不存在以太漂移。这样，牛顿的绝对空间和光以太观念都受到了挑战 。