牛顿时空观与爱因斯坦相对论——兼评肖引同志“对牛顿传统时空观评价的质疑”一文，本文主要内容关键词为：时空观论文,爱因斯坦论文,相对论论文,一文论文,同志论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
内容提要 本文用比较通俗的文字阐明了亚里士多德时空观、牛顿时空观以及爱因斯坦相对论的基本思想，同时以相对论为基点论述了牛顿时空观“既有绝对时空观也有相对时空观”的观点是不正确的，牛顿的绝对时空观实际上是相对论中每一个惯性系内的空间与时间的关系，而其所谓相对时空既不是伽利略——牛顿古典力学的要求，也没有赋与其物理性质的内容，实际上是量度空间和量度时间的概念。本文从物理学和哲学的角度着重描述了牛顿时空观的合理性与不合理性，旨在使读者清醒地认识到牛顿的绝对时空观既唯物同时又是形而上学的。
所谓时空观，就是有关时间和空间的物理性质的认识，时空观同自然科学的发展和哲学的发展是密切相关的，要了解牛顿时空观首先要看牛顿时空观形成的过程和条件，这样我们首先来看看亚里士多德的时空观。
在欧洲，直到中世纪为止，亚里士多德的时空观占据了主导地位，在亚里士多德的体系中，地球位于整个宇宙的中心，地球的球心就是宇宙的中心，空间的位置是绝对的，即每个物体都有其自然合理的位置，运动被看作是物体向天然位置的移动，亚里士多德甚至把宇宙空间分为“月上”或“月下”两个完全不同的空间，“月上”的东西如“星星”“太阳”的天然位置在天球上，因而它们随着天球作圆运动，地球表面的物体其天然位置是在地球的中心，因此它们都作落地运动；从今天的角度来看，亚里士多德的空间，具有各向同性的性质，但又是不均匀的，因为空间各点的位置并不是等价的，即还存在着地球球心这样的特殊点，这种特性，亚里士多德称其为空间点的绝对性，亚里士多德的绝对时空观之所以能够统治欧洲达数十世纪，主要是两个原因：第一，由于人们知识的贫乏，把感性认识到的现象当做本质，正如地静派所说的，人并没有感觉到地球在运动，而看到运动的却是太阳和星星，所以把人类生存的地球看作是宇宙中心是很自然的；第二，由于宗教势力的发展，把地心说神化了，宗教的教义严重地束缚着人们的思想，教会的权威更残酷地迫害每一个敢于反对它的人；尽管从今天来看亚里士多德的绝对时空观漏洞百出。
哥白尼根据科学的观测，证明地球也是一个行星，而且连同地球在内的所有行星都是绕日运动，从而否定了地球处于绝对的宇宙中心的地位，否定了统治西方达1000年之久的地心说，从此“自然科学便开始从神学中解放出来”（《马克思恩格斯选集》第3卷，人民出版社，72年版，P446页）。哥白尼创立日心说以后，又带来了新的矛盾，既然地球不是宇宙的中心，太阳是否就是宇宙的中心呢？是否存在着宇宙的绝对中心呢？哥白尼没有回答。
十七世纪初期意大利人伽利略，他经过长期的对物体运动的观测，发现了物体的惯性定律，即物体没有受到外力作用时，它总是保持着原来的运动状态，静止的物体自然静止，运动的物体作匀速直线运动；有了惯性定律，要研究物体的具体运动情况就要选择参考系，参考系分为两类：一类是惯性参考系，一类是非惯性参考系，一切惯性系在力学上是完全等价的，从力学的角度是无法区分的，也就是说对于力学规律来说，各个惯性系都是等价的，不存在比其它惯性系更优越的绝对惯性系，这就是著名的伽利略力学相对性原理，伽利略同时还提出了伽利略变换，如果必要的话完全可以通过伽利略变换，把在某一个惯性系得到的结果变换成为另一个惯性系的结果，力学的相对性原理从哥白尼的日心说前进了一大步，它不承认绝对的惯性系，也就是说不承认存在着宇宙的某一个绝对中心，伽利略这种相对性原理后来成为爱因斯坦相对论的出发点；但在伽利略变换中，各个惯性系拥有共同的时间，这一点伽利略并没有证明，被认为是自然成立的，由此看来在伽利略这里，时间不与空间发生关系，在伽利略变换中各个不同惯性系物体的长度也绝对相等，这种绝对的时间和绝对的长度也就是绝对的空间的概念，在伽利略变换中只不过没有明确给出被认为是自然的而已。
就在伽利略这位科学巨星殒落之日，又诞生了另一位科学巨人——牛顿，牛顿在少年时就发现苹果落地和月亮绕地球运行是由同一个原因引起的，并不是由于它们要回到自己的“天然位置”上去，更无所谓“月上”和“月下”的界限之说，然而牛顿尽管站在了亚里士多德的肩上，但在他的力学中仍然引入了绝对静止的空间和绝对不变的时间的这两个概念，下面我们从物理学和哲学的角度来分析一下牛顿的绝对时空观，同时指出肖引同志在其文中的所述牛顿时空观包括两个方面的内容即绝对的时空和相对的时空的错误所在。
一
首先从狭义相对论的角度来分析一下牛顿的绝对时空观；牛顿总结了伽利略惯性定律的成就，引用了惯性系，建立了牛顿三大定律和万有引力定律，为伽利略—牛顿经典力学画上了一个圆满的句号；但牛顿三大定律还没有解决伽利略变换中遗留下来的时空问题，即在各个惯性系中，牛顿三大定律皆成立，问题是各个惯性系的速度不一样，一惯性系相对其它惯性系物体运动的位置也不一样，比如，在运动的火车中，火车的速度V′，在火车车厢内S＝Vt，而在地面上看S′＝(V+V′)t，也就是说同样一个人在火车车厢内所走的距离S与从地面上来看他走的距离S′是不相等的，而其时间t是不是也不等？或者相等；另外在牛顿万有引力定律中F＝Gm[，1]m[，2]／R[2]中，不论m[，1]和m[，2]相距多远，m[，1]的位置一变，R值随之改变，作用在m[，2]上的F力也就随着改变，这本身就要求宇宙中存在一个绝对的“同时”标准，所以万有引力定律实质上也已隐含“绝对时间”的概念，对于隐含的绝对时间牛顿如何解释呢？牛顿经过大量的实验发现了他的三大定律的力学性质在各个惯性系中不仅都是等价的而且其计算结果也都是没什么两样，所以牛顿就直面定义了他的绝对时空观，这就是大家所熟悉的也是肖引同志文中引用牛顿在《自然哲学之数学原理》中所说：“…绝对的，真正的和数学的时间自身在流逝着，并且由于它的本性而均匀地，同任何一种外界事物无关地流逝着，……绝对的空间，就其本性而言是和外界任何事物无关，而永远是相同的和不动的……。”到这里我们看到牛顿力学和牛顿的绝对时空观是相互依存的，没有牛顿定义的时空观，牛顿力学系统就支离破碎，难以成系，当然没有牛顿古典力学也就无所谓绝对时空观；我们也可以看出，牛顿的绝对时空观是牛顿力学和力学相对性原理的基础，也是牛顿力学的要求，牛顿的绝对时空观绝不是思辩的产物，而是建立在十分坚实的实验基础上的，经典力学的辉煌成就可以作证。下面我们来谈一下关于肖引同志在文中所述对牛顿时空观的观点（对牛顿绝对时空观的缺陷将在第三部分中继续叙述）。
肖引同志在其文中指出，牛顿时空观包括两个方面即绝对的时空和相对的时空（文中第二页倒数十八行）。其根据是牛顿在《自然哲学之数学原理》中说到：“……相对的表现和通常的时间是延续性的一种可感觉的、外部的（无论是精确的或者不相等的）通过运动来进行量度，我们就用诸如小时、日、月、年等这种量度以代替真正的时间……相对空间是绝对空间的可动部分或量度，我们的感官通过绝对空间对其它物体的位置而确定了它，并且通常地把它当作不动的空间看待，如相对于地球而言的地下、大气或天体等空间就都是这样确定的……。”从上面的分析中我们知道牛顿的绝对时空观是从大量的实践中总结、抽象出来的，是牛顿力学的要求，不能被否定只能通过更高的实践来修正它。但从牛顿对其相对时空叙述的内容来看首先它显然不是伽利略—牛顿力学所必须的要求，也不是伽利略—牛顿力学的基础，也就是说没有牛顿所定义的相对时空观，牛顿力学在其绝对时空下（在表面上）已是一完整的体系；另外，牛顿在相对时空中也没有赋予其能与其绝对时空观相匹对的物体运动的物理性质的内容，由此来看牛顿在《自然哲学与数学原理》一文中所定义的相对时空观仅属一般概念的范畴之内，完全可以说成是其绝对时空的外部可直感的参考形式而已，所以说牛顿的相对时空观不能与其绝对时空观相提并论而存在，它另有归属；其实自牛顿以后法拉第、洛伦兹包括爱因斯坦以及近代无数物理工作者不可能没看到牛顿在《自然哲学之数学原理》中关于其对相对时空的表述，而究其原因是因为牛顿关于相对时空的内容从现在来看不过是量度空间和量度时间的定义而已，即在自然科学中通过量度单位的选定和参考系中的尺度而进行的量度空间和量度时间的定义；量度空间一般以米或其分数（如厘米、微米）或倍数（如千米）为单位。量度时间一般以地球自转和公转为标准并由此设定年、月、日、时分秒等单位，在量度天体间距离时则用天文单位，如光年、秒等。由上面分析知，牛顿关于其相对时空的叙述绝不能构成与其绝对时空观相并论的时空观，更不存在其中的辩证关系，两者实际上构不成对立统一的关系。值得提出的是，肖引同志在文中不考察牛顿在《自然哲学之数学原理》中所述的相对时空观的实践形成过程，以牛顿对相对时空的描述当然正确为根据，竞导出了“绝对时空是相对的抽象，没有相对时空也就没有对相对时空的抽象而获得绝对时空”（文中第三页倒数14行）的错误结论；因为绝对时空是牛顿为使牛顿力学和力学相对性原理适合于所有惯性系而对时间和空间的抽象，怎么能说成是对仅是概念的相对时空的抽象呢？不得不使人感到作者在脱离伽利略—牛顿力学的基础上从概念到概念，在思辩的色彩下陷下了认识循环论，最终必将滑入到唯心主义中去，另外，从方法论的角度，当在分析一个问题的时候要站在另一基点上，而肖引同志以牛顿时空观为基点来评论牛顿时空观也没有去考察它的形成过程，身在庐山，云山雾海；最使人感到不解的是，在爱因斯坦狭义相对论已被无数试验证明正确的今天，肖引同志的文中竟没有提到相对论的内容，更没有从狭义相对论的高度来考察牛顿的时空观，我想其得到的错误结论是正常的。下面我们分别从物理学和哲学的角度来考察一下牛顿绝对时空观的缺陷。
二
首先从物理学的角度来分析一下牛顿绝对时空观。
牛顿的绝对时空观提出以后，满足了伽利略变换、力学相对性原理、牛顿三大定律及万有引力定律的要求，而且经过大量的实验证明，牛顿经典力学的所有结论在当时的条件下都是正确的，似乎牛顿的体系已经很严整了，然而事实并非如此，首先，按照牛顿万有引力定律，引力作用于两个物体之间，两个物体相距很远，一个物体的引力是怎样作用到另一个物体上的呢？牛顿没有找到答案，只好默认超距作用（从表面上来看这个超距作用与牛顿的时空观并没有多大关系，但有意思的是，物理学家正是沿着这个线索直到扬弃了绝对时空观发现了狭义相对论）；到了十八世纪末，库仑根据实际的结果提出了静电荷之间相互作用力定律——库仑定律，即两个点电荷之间存在着相互作用力，作用力的大小由公式F＝Kg[，1]g[，2]／r来表示，该式与万有引力的形式完全一样，两点电荷之间的距离可谓无限小，是否也存在着超距作用呢？几十年后法拉第在大量的电磁学实验的基础上，抛弃了“超距作用”这个概念，提出了新概念一场，法拉第虽然提出了场的概念，但是对于场的认识还不完整不系统，麦克斯韦系统地总结出了前人的经验，对电磁场的认识有了一个质的飞跃，他认为电场和磁场不是孤立的静止的存在，而是变化的电场激发出磁场，变化的磁场激发出电场，电场和磁场相互激发、相互转化以波的形式运动，形成统一的电磁场和电磁波，并导出真空中电磁波的传播速度
是一个常量，电磁波的速度μ恰好与实验测量的光速C相等（电磁理论的成功使场的观点得以存在），由此看来两个电荷之间的相互作用力不是同时实现的，而是以有限的速度（光速）来传递的，这就必然使这种作用有一个时间延迟；实际上以有限的恒定的速度运动的场和推迟效应已经是对绝对时空观的挑战，只是当时的物理学家并没有认识到这一点而已，但是有个明显的问题都要使物理学家必须回答，按照电磁理论真空中的光速，即真空中的电磁波的速度是一个常量，但是按照伽利略变换，如果一束光在惯性系K的速度是C，在相对于K系以速度V运动的惯性系K′，光的速度就是C±V，这就提出一个尖锐的问题，麦克斯韦电磁理论只是对某一个惯性系成立的呢？还是对所有惯性系成立？如果是前者，即认为光速是可变的，如果是后者，伽利略变换与电磁理论关于光速不变的结论又如何解释呢？
在19世纪流行着“以太”的说法，物理学家套用机械波的传播要通过媒质这一概念，认为光波的传播也需要一种媒质就是“以太”，在现在看来设想出这样一种“以太”的假说是很可笑的，但在当时并没有认识到光波就是电磁场，所以物理学家都相信“以太”的存在，有趣的是在许多科学家进行大量实验室找“以太”的过程中却意外的发现了光速在各个惯性系不变的事实，这就是著名的“迈克耳逊—莫雷实验”[1]，1887年发表的迈克耳逊—莫雷实验（其原理论详见有关书籍）它的准确性为大家所公认；法国物理学家菲涅耳在1817年就天才地预言到，光在流动介质中的速度公式不是
，为了检验这个结果，斐索于1851年做了著名的斐索实验，[2]实验证明菲涅耳的预言是正确的，当然从今天看来我们知道菲涅耳公式只是相对论一级近似公式。
由此看来伽利略变换是有问题了，即牛顿的绝对时空观是有问题了，但问题出在哪儿呢？爱因斯坦详细地分析了前人的工作，认识到麦克斯韦—洛伦兹的电磁理论是普遍成立的，真空中的光速是一个常量应该肯定，问题症结在哪里呢？据说爱因斯坦十六岁就开始接触这个问题，它一直在缠绕着他，他放弃了许多无效的尝试，直到最后，“我终于醒悟到时间是可疑的……（《爱因斯坦文集》第一卷四百九十页），即不同的惯性系绝对的时间概念是应该被怀疑的，他终于找到了解决问题的关键，给出了意义深远的解答，这就是狭义相对论。
爱因斯坦仔细地考察了时间与空间的关系，他发现“两个事件间，没有空间的绝对关系，也没有时间的绝对关系，但是有空间与时间的绝对关系”，这也就是说两个事件，在不同的惯性系看来，它们的空间关系是相对的，它们的时间关系也是相对的，只有在同一个惯性系内，时间和空间才是绝对的，因此并不存在绝对的抽象的空间，只存在具体的与物体相联系的空间。爱因斯坦在1905年发表的《动体的电动力学》一文中提出了两个假设，第一条就是相对性原理，在所有的惯性系物理学规律都是相同的；第二条就是光速不变原理，在所有惯性系中，真空中的光速不变，都是常量C；在这两个公式基础上以光速不变为纽带推导出了洛伦兹公式，到这里为止狭义相对论以无可辩驳的事实否定了绝对时间与绝对空间的概念，建立了完整的统一的相对的时空概念。现在我们再来看看牛顿的绝对时空观在什么范围内是合理的，超过了什么范围就必然导致谬误。实际上从相对论的角度来看，牛顿的绝对时空观在每一个惯性系内关于时间和空间的叙述是正确的，但是这种绝对的概念，如果不加分析的用在任何惯性系内则是错误的，当K′惯性系的速度远小于光速时，牛顿的绝对时空观可以近似的在各个惯性系内成立，肖引同志文中谈到牛顿的绝对时空观时说到：“牛顿绝对时空观也有错误，但请注意这个错误并不在于牛顿提出绝对时空的概念，也不在于牛顿本人对绝对时空的理解，而是在于牛顿把只适合于低速宏观领域里的物质运动特性的绝对时空看作是适合于宇宙间一切物质运动特性的时空……”（文中第4页倒数第八行），这段话的错误有两处：第一，肖引同志认为牛顿的绝对时空概念应用在低速领域里的物质运动是完全正确的，这个结论是错误的。这在肖引同志的文中多有表述，如认为“……牛顿的绝对时空就是对宏观领域内低速运动的物质的机械力学性质的外部联系的反映（文中第四页倒数二十四行），甚至断言“牛顿的绝对时空观反映了常规条件下事物之间机械力学性质的外部联系，也是对客观时间的反映……”（文中第四页正数第6行），而实际上，牛顿的绝对时空观应用在低速运动的物质时因为其速度远低于光速，所以其力学性质的外部表现是近似的（不易被感官察觉），而不是正确的，近似与正确失之分毫，差之千里，试问牛顿的绝对时空观既是绝对的，如果对低速能适合，为什么对高速就不适合呢？第二，牛顿的绝对时空观的错误就在于牛顿提出了绝对时空的概念，更在于牛顿本人对绝对时空的理解。肖引同志在文中上一句承认牛顿的绝对时空观有错误，下句又认为这个错误不在于牛顿提出的绝对时空的概念，语言内容自相矛盾。实际上牛顿时空观的内容及其“绝对时空的概念”的内容都是同样的，即牛顿的绝对时空观表现为时间不受任何其它东西的影响，表现为在任何参考系有统一的时间，这说明肖引同志并未真正的理解牛顿的绝对时空观的本质内容。
三
我们从哲学的角度来看看牛顿的绝对时空观。在物理学中我们实际上是以光速不变的原理来分析牛顿的绝对时空观。在哲学上我当然以唯物辩证法为依据来分析牛顿的绝对时空观，唯物辩证法是由无数实践证明了的最全面最丰富最深刻的学说，是辩证法思想发展的最高形式；唯物辩证法认为，物质世界是普遍联系和发展变化的统一整体；牛顿的绝对时空观认为其“绝对的时间……同任何一种外界事物无关地流逝着，其绝对空间是和外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”，牛顿承认一切物质及其运动和相互作用都是在时空中进行的，也就是说都是和时空密不可分的，但又要求时空绝对不受“外界任何事物”的影响，这本身就是矛盾的，其结果出现一个与物质运动没有联系的时空，这与唯物辩证法是相抵触的。
牛顿提出了绝对时空观之后，引起了马赫等人的思考和怀疑，马赫在《发展中的力学》一书中写道：“如果我们说一个物体K只能由于另一个物体K′的作用而改变它的方向和速度，那么，当我们用以判断物体K的运动的其它物体A、B、C……都不存在的时候，我们就根本得不到这样的认识。因此，我们实际上只认识到物体同A、B、C……的一种关系，如果我们现在突然想忽略A、B、C……，而要谈物体K在绝对空间中的行为，那么我们就要犯双重错误，首先，在A、B、C……不存在的情况下，我们就不能知道物体K将怎样行动，其次，我们因此也就没有任何方法可以用认判断物体K的行为，并且以验证我们的论断，这样的论断因而也就没有任何自然科学的意义。”马赫关于惯性及惯性力起源于宇宙间物质的相互作用的观点，揭示出抛开一些物质(A、B、C……）用所谓绝对空间来描述物体的具体运动是不可能的，牛顿是唯物论者，在他的体系中不可能存在着不可被感知的东西，那么他的绝对时空应如何被“感知”的呢？牛顿没设计了一个理想实验，即“水桶实验”，当水桶旋转时：“若水面平坦则无绝对运动，若水面呈凹形，则有绝对的转动”，那么再问一句，为什么“水面呈凹形”，则证明有绝对的转动呢？牛顿没有回答，今天看来，水桶旋转，水面变凹仅能证明水桶与其物质有相对运动而已，所以说牛顿用水桶试验来证明其绝对空间的存在，不过是用一种精巧圆滑的形态掩盖了其本质罢了。
综上所述，牛顿是承认时间和空间是独立于人之外的客观存在，这显然是唯物的观点，然而牛顿却把时间和空间绝对化，没有看到时间与空间之间的联系，也没有看到它们是物质的联系，则是一种形而上学的看法。
由此看来，在哲学界对牛顿时空观的看法即认为“牛顿时空观就是形而上学的时空观”，这个结论是正确的，而牛顿本无相对时空观而言（上面已论述过），所以也就不存在肖引同志文中所述……还牛顿时空观一个本来面目的说法……（文中第2页正数15行）。
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