第6章 空间和时间(1)

“我要如许驳斥它！”

直到1865年，当英国的物理学家詹姆斯・麦克斯韦胜利地将直到当时用以描述电力和磁力的部分实际同一起来今后，才有了光传播的精确的实际。麦克斯韦方程预言，在归并的电磁场中能够存在颠簸的微扰，它们以牢固的速率，正如水池水面上的波纹那样行进。如果这些波的波长（两个相邻波峰之间的间隔）为1米或更长一些，它们就是我们所谓的射电波。更短波长的波称做微波（几厘米）或红外线（善于万分之一厘米）。可见光的波长在一百万分之四十至一百万分之八十厘米之间。更短的波长被称为紫外线、X射线和伽马射线。

这表白，力的真正效应老是窜改物体的速率，而不是像本来想像的那样，仅仅使之活动。同时，它还意味着，只要物体没有遭到外力，它就会以一样的速率保持直线活动。

如许，不存在绝对静止意味着不能像亚里士多德信赖的那样，给事件指定一个绝对的空间位置。事件的位置以及它们之间的间隔对于在有轨电车上和铁轨上的人来讲是分歧的，以是没有来由觉得一小我的态度比别人的更优胜。

1676年，丹麦的天文学家欧尔・克里斯琴森・罗默第一次发明了，光以有限但非常高的速率观光的究竟。他察看到，木星的卫星不是以等时候间隔从木星背后出来，不像如果卫星以稳定速率环绕木星活动时，人们会预感的那样。本地球和木星都环绕着太阳公转时，它们之间的间隔在窜改着。罗默重视到，我们离木星越远则木星的月蚀呈现得越晚。他论证道，因为当我们分开更远时，光从木星卫星那边要花更长的时候才气达到我们这里。但是，他测得的木星到地球的间隔窜改不是非常精确，与现在的每秒186000英里的值比拟较，那么他所测的光速的数值为每秒140000英里。固然如此，罗默不但证了然光以有限速率行进，并且测量了阿谁速率，他的成绩是出色的――要晓得，这统统都是在牛顿颁发《数学道理》之前11年做出的。

如许，在伽利略之前，没有一小我想看看分歧重量的物体是否确切以分歧速率下落。传闻，伽利略从比萨斜塔大将重物落下，从而证了然亚里士多德的信心是错的。这故事几近不敷以信，但是伽利略的确做了一些等效的事――让分歧重量的球沿光滑的斜面上滚下。这环境近似于重物的垂直下落，只是因为速率小而更轻易察看罢了。伽利略的测量指出，不管物体的重量多少，其速率增加的速率是一样的。比方，你在一个沿程度方向每走10米即降落1米的斜面上开释1个球，则1秒钟后球的速率为每秒1米，2秒钟后为每秒2米，等等，而不管这个球多重。当然，一个铅锤比一片羽毛下落得更快些，那只是因为氛围阻力将羽毛的速率降落。如果一小我开释两个不受任何氛围阻力的物体，比方两个分歧的铅锤，它们则以一样速率降落。在没有氛围停滞东西下落的月球上，航天员大卫，斯各特停止了羽毛和铅锤尝试，并且发明二者确切同时落到月面上。

牛顿把伽利略的测量当作他的活动定律的根本。在伽利略的尝试中，当物体从斜坡上滚下时，它一向遭到稳定外力（它的重量）的感化，其效应是使它恒定地加快。

每个察看者都能够操纵雷达收回光或射电波脉冲来讲明一个事件在那边何时产生。一部分脉冲在事件反射返来后，察看者可在他领遭到回波时测量时候。事件的时候能够为是脉冲被收回和反射被领受的两个时候的中点：而事件的间隔可取这来回路程时候的一半乘以光速（在这个意义上，一个事件是产生在空间的伶仃一点以及指定时候的一点的某件事）。这个思惟被显现在上。操纵这个步调，作相互活动的察看者对同一事件可付与分歧的时候和位置。没有一个特别的察看者的测量比任何其别人的更精确，但是统统这些测量都是相干的。只要一个察看者晓得其别人的相对速率，他就能精确算出其别人会付与同一事件的时候和位置。

在他们之前，人们信赖亚里士多德，他说物体的天然状况是静止的，并且只要在遭到力或打击的鞭策时才活动。如许，重的物体比轻的物体下落得更快，因为它遭到更大的将其拉向地球的力。

亚里士多德和伽利略-牛顿看法的庞大不同在于，亚里士多德信赖一个优胜的静止状况，任何没有遭到外力和打击的物体都取这类状况。特别是他觉得地球是静止的。

麦克斯韦实际预言，射电波或光波应以某一牢固的速率行进。但是牛顿实际已经摆脱了绝对静止的看法，以是如果假定光以牢固的速率行进，人们就必须说清这牢固的速率是相对于何物来测量的。是以有人提出，存在着一种无所不在的称为“以太”的物质，乃至在“真空的”空间中也是如此。正如声波在氛围中行进一样，光波应当通过以太行进，以是它们的速率应是相对于以太而言的。相对于以太活动的分歧察看者，会看到光以分歧的速率冲他们而来，但是光对以太的速率保持稳定。特别是本地球在它环绕太阳的轨道穿过以太时，在地球通过以太活动的方向测量的光速（当我们对光源活动时）应当大于在与活动垂直方向测量的光速（当我们不对光源活动时）。1887年，阿尔伯特・迈克耳孙（他厥后成为美国第一名诺贝尔物理学奖获得者）和爱德华・莫雷在克里夫兰的凯思利用科学黉舍停止了一个非常细心的尝试。他们将沿地球活动方向以及垂直于此方向的光速停止比较。使他们大为诧异的是，他们发明这两个光速完整一样！

牛顿对不存在绝对位置或所谓绝对空间非常忧愁，因为这和他的绝对上帝的看法不分歧。究竟上，即便他的定律隐含着绝对空间的不存在，他也回绝接管。因为这个非理性的信奉，他遭到很多人的峻厉攻讦，此中最驰名的是贝克莱主教。他是一个信赖统统的物质实体、空间和时候都是虚妄的哲学家。当人们将贝克莱的观点奉告闻名的约翰逊博士时，他用脚指踢到一块大石头上，并大呼道：

但是从牛顿定律能够推断，并不存在唯一的静止标准。人们能够讲，物体A静止而物体B以稳定的速率相对于物体A活动，或物体B静止而物体A活动，这两种讲法是等价的。比方，我们临时不睬睬地球的自转和它环绕太阳的公转，则能够讲地球是静止的，一辆有轨电车以每小时30英里的速率向东活动，或有轨电车是静止的，而地球以每小时30英里的速率向西活动。如果一小我在有轨电车上做活植物体的尝试，统统牛顿定律仍然都建立。比方，在有轨电车上打乒乓球，人们将会发明，正如在铁轨旁一张台桌上的球一样，乒乓球从命牛顿定律，以是没法得知究竟是火车还是地球在活动。

这一思惟初次在牛顿于1687年出版的《数学道理》（即《天然哲学的数学道理》，下同――编者注）一书中明白地陈述出来，并被称为牛顿第必然律。牛顿第二定律给出物体在受力时产生的征象：物体在被加快或窜改其速率时，其窜改率与所受的外力成比例。（比方，如果力更加，则加快度也将更加。）物体的质量（或物质的量）越大，则加快度越小（以一样的力感化于具有两倍质量的物体时只产生一半的加快度）。小汽车可供应一个熟知的例子，发动机的功率越大，则加快度越大，但是小汽车越重，则对于一样的发动机，则加快度越小。除了他的活动定律，牛顿还发明了描述引力的定律：任何两个物体都相互吸引，其引力大小与每个物体的质量成比例。因而，如果此中一个物体（比方A）的质量更加，则两个物体之间的引力更加。这是你能预感获得的，因为新的物体A可当作两个具有本来质量的物体，每一个用本来的力来吸引物体B，以是A和B之间的总力更加。而如果，比如说，此中一个物体质量大到本来的2倍，另一物体大到3倍，则引力就大到6倍。现在人们能够看到，为何落体总以一样的速率降落：具有两倍重量的物体遭到将其向下拉的两倍的引力，但它的质量也大到两倍。遵循牛顿第二定律，这两个效应刚好相互抵消，以是在统统景象下加快度都是不异的。

亚里士多德和牛顿都信赖绝对时候。也就是说，他们信赖人们能够毫不含混地测量两个事件之间的时候间隔，只要用好的钟，不管谁去测量，这个时候都是一样的。时候相对于空间是完整分离并且独立的。这就是大部分人当作知识的观点。但是，我们必须窜改这类关于空间和时候的看法。固然这类显而易见的知识能够很好地对于活动甚慢的诸如苹果、行星的题目，但在措置以光速或靠近光速活动的物体时却底子无效。

这个被称为相对论的根基假定是，不管察看者以任何速率作自在活动，相对于他们而言，科学定律都应当是一样的。这对于牛顿的活动定律当然是对的，但是现在这个看法被扩大到包含麦克斯韦实际和光速：不管察看者活动多快，他们应测量到一样的光速。这简朴的看法有一些不凡的结论。能够最闻名者莫过于质量和能量的等价，这可用爱因斯坦闻名的方程E=mc2来表达（E是能量，m是质量，c是光速），以及没有任何东西能够行进得比光还快的定律。因为能量和质量的等价，物体因为它的活动具有的能量应当加到它的质量上去。换言之，要加快它将更加困难。这个效应只要当物体以靠近于光速的速率活动时才有实际的意义。比方，以10%光速活动的物体的质量只比本来增加了0.5%，而以90%光速活动的物体，其质质变得比普通质量的2倍还多。当一个物体靠近光速时，它的质量上升得越来越快，如许它需求越来越多的能量才气进一步加快上去。实际上它永久不成能达到光速，因为当时质量会变成无穷大，而按照质量能量等价道理，这就需求无穷大的能量才气做到。因为这个启事，相对论限定了物体活动的速率：任何普通的物体永久以低于光速的速率活动，只要光或其他没有内禀质量的波才气以光速活动。

相对论的一个划一不凡的推论是，它窜改了我们空间和时候的看法。在牛顿实际中，如果有一光脉冲从一处发到另一处，（因为时候是绝对的）分歧的观察者对这个路程所花的时候不会有贰言，但是（因为空间不是绝对的）他们在光行进的间隔上不会总获得分歧的定见。因为光速恰是它行进过的间隔除以破钞的时候，分歧的察看者就测量到分歧的光速。另一方面，在相对论中，统统的察看者必须在光以多快速率行进上获得分歧定见。但是，在光行进过量远的间隔上，他们仍然不能获得分歧定见。是以，现在他们对光要破钞多少时候上应当也不会获得分歧定见。（破钞的时候恰是用光速――对这一点统统的察看者都定见分歧――去除光行进过的间隔――对这一点他们定见不分歧。）换言之，相对论闭幕了绝对时候的看法！看来每个察看者都必然有他本身的时候测度，这是用他本身所照顾的钟记录的，而分歧察看者照顾的一样的钟的读数不需求分歧。

亚里士多德的传统观点还觉得，人们依托纯粹思惟便能够找出统统制约宇宙的定律：不需求用观察去查验之。

牛顿引力定律还奉告我们，物体之间的间隔越远，则引力越小。牛顿引力定律讲，一个恒星的引力只是一个近似恒星在间隔小一半时的引力的1/4。这个定律极其切确地预言了地球、玉轮和其他行星的轨道。如果这定律中恒星的万有引力随间隔减小或者增大得快一些，则行星轨道不再是椭圆的了，它们就会以螺旋线的形状要么回旋到太阳上去，要么从太阳逃逸。

在1887年至1905年之间，最闻名者为荷兰物理学家亨得利克・洛伦兹做出的。但是，一名迄至当时还冷静知名的瑞士专利局的职员阿尔伯特・爱因斯坦，在1905年的一篇闻名的论文中指出，只要人们情愿丢弃绝对时候看法的话，全部以太的看法则是多余的。几个礼拜以后，法国第一流的数学家亨利・庞加莱也提出近似的观点。爱因斯坦的论证比庞加莱的论证更靠近物理，后者将其考虑为数学题目。凡是这个新实际归功于爱因斯坦，但人们不会健忘庞加莱的名字在此中起了首要的感化。

贫乏静止的绝对标准意味着，人们不能肯定，在不应时候产生的两个事件是否产生在空间的不异位置上。比方，假定在有轨电车上我们的乒乓球直上直下地弹跳，在1秒钟前后两次撞到桌面上的同一处。在铁轨上的人来看，这两次弹跳仿佛产生在约莫相距13米的分歧的位置上，因为在这两回弹跳的时候间隔里，有轨电车已在铁轨上走了这么远。

我们现在关于物体活动的看法来自于伽利略和牛顿。