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 。