2.6 绝对时空
空间是运动的舞台,时间是变化的幕布,要想精准的描述物体的运动变化,就必须精准的定义时间和空间。继亚里士多德之后,牛顿再一次给出他对时间和空间的理解:
绝对的、真实的和数学的时间:其自身均匀的流逝,与一切外部事物无关。相对的、表象的、可感知的时间是对外物连续运动的量度,它在生活中常表示为一小时、一天、一月或一年,常用以代替真实的时间。
绝对空间:其自身绝对静止、均匀的分布,与一切外部事物无关。相对空间是我们通过物体的相对位置感受到的空间,它是绝对空间的一部分,是绝对空间的度量,并且可以在绝对空间中运动。
在此基础之上,牛顿又对运动给出了类似的定义:绝对运动是物体从一个绝对空间的位置移到另一个绝对空间的位置;相对运动是物体从一个相对空间位置移动到另一个相对位置。因此,相对运动是绝对运动中的一部分,绝对运动速度等于相对运动速度之和。同时,牛顿认为,相对运动只是表象,绝对运动才是真实存在的运动。区别二者的判断方法就是判断受力状态,如图所示:

两个小车在桌面上保持相对静止,此时,如果我们用力推动其中一个小车,那么,无论我们站在哪一个小车的立场上来看:都会发现对方正在相对于自己做加速运动。然而,哪一个才是“真实”的运动呢?显然,受到推力的一个在做“真实”运动,而不受力的一个小车没有加速运动。
然而,既然绝对时间和绝对空间与外物的运动无关,我们又如何证明绝对空间和绝对时间的存在呢?为此,牛顿给出了一个经典的“水桶实验”,如下图所示:如果我们在一个圆形房间正中悬挂一只圆形的水桶,桶中装有半桶水,一开始水桶和桶内的水都保持静止状态,随后,我们突然发力,让水桶围绕自己的中心迅速旋转起来,此时,在力的作用下,水桶的铁皮会首先运动起来。但桶内的水由于惯性作用,仍然会保持静止状态。此时我们可以看到:

虽然桶和水之间发生了相对转动,但水面却仍然保持水平。随后,在桶壁和水的摩擦力作用下,桶内的水也逐渐加速运动起来,此时,我们又会发现:水面的水开始离开桶的中心,沿着桶壁逐渐上升,水面因此不再保持水平,而是呈现出下凹的形状。当水和桶壁的速度完全相等以后,水相对于桶壁的运动已经完全停止,但水相对于绝对空间的转动却仍然存在,因此水面会继续保持下凹的形状。此时只要我们测量一下水面下凹的程度,就可以判断它们相对于绝对空间的绝对速度,从而也就证明了绝对空间的存在。
受到“水桶实验”的启发,1851年,法国科学家傅科利用一个巨大的单摆成功证明了地球的自转运动。他在巴黎先贤祠的穹顶下方悬挂了一个长67米、重28公斤的巨大单摆,如图2-9所示:当单摆晃动起来以后,人们看到,摆动平面沿着顺时针缓慢转动,摆锤最高点的位置也不断变化。按照惯性定律,摆锤并没有受到水平方向的外力作用,摆平面应该保持静止状态,因此这种摆动方向的变化,只能是地球的自转所引起的。1882年,在巨大的社会压力下,罗马教皇不得不承认:哥白尼的学说是正确的,这意味着,世界上最顽固的保守派也不得不承认,地球的确在运动之中。

对于大多数人而言,牛顿力学的伟大,不仅在于它指出了宇宙万物运行的根本原因,还在于它解决了我们生产生活中的实际问题。从工业革命至今,每一架桥梁的钢筋、水泥、铆钉、螺丝,无不遵循牛顿力学的法则;每一辆机车的齿轮、曲轴、连杆、轴承,无不按照牛顿力学来运转。世界的每一个角落都因牛顿力学而变得光明,世界的运转速度也似乎受到了牛顿力学的推动而提升了。自动牛顿力学诞生以后,科学就走在了哲学的前面,牛顿力学对整个人类文明意味着什么,它是否就是宇宙之中的绝对真理呢?就在人们为科学进步欢欣鼓舞的时候,一个不和谐的声音却高喊:一切知识都是不可靠的!看来,探求真理的路远未结束,而关于认知论的战斗已经打响了……
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