牛顿对时间与空间的观点

                    （《物理学上的时空与物质》1）

博主按：从今日开始本博将连续发表《物理学上关于时空与物质的基本概念和基本规律》（暂名）一书（简称为《物理学上的时空与物质》）的草稿，今日发表的是第一章第一节（§1.1），标题为：牛顿对时间与空间的观点。以后每写完一节便随即一次或分几次发表。为了更深入和更全面地了解物理学上关于时空与物质的基本概念和基本规律，本书要讲到相对论、量子理论以及时空与物质理论的一些新近进展，要用到一些数学公式，我们假定读者已具备大学一年级普通物理知识和相应的数学知识。欢迎大家对本书草稿提出意见。这里要说明一下，本书的目的是向读者介绍现代物理学的一些主流观点和看法，也谈论博主个人的一些观点和看法；当前对于时空与物质，存在一些与主流观点和看法不相同的见解，本博不打算成为这类见解的论坛，不参加讨论这类见解。

   物理学上关于时空与物质的基本概念和基本规律

第一章    牛顿力学关于时空的基本概念和基本规律 

§1.1  牛顿对时间与空间的观点

时间与空间是什么？这一问题不仅是物理学仍在继续深入研究的问题，也是哲学经常讨论的热门问题。本书不打算介绍哲学对时间与空间的看法，只是指出，哲学对时间和空间的理解同物理学对时间和空间的理解存在着一些差异。在物理学上，与时间和空间有关的一些概念，或者直接建立在实验事实的基础上，或者虽然出自假设，但要求其推论必须通过实验验证；而在哲学上，与时间和空间有关的某些概念，其建立往往可不强调要求通过实验验证。本书对时间、空间的讨论只限于物理学上所指的时间和空间，不打算讨论哲学上所指的时间和空间。

宇宙中的任何物体，大至星系小至一个基本粒子，都存在于空间之内，宇宙中的任何现象和变化都发生于时间之中。那么如何理解空间和时间呢？ 每个物体都要占据空间某处位置并具有线度和体积（质点只是极限情况，其体积和线度均可忽略不计）。当物体运动或变化（如受热膨胀）时，其位置、线度和体积往往发生改变，即由旧位置变至新位置，由旧线度变至新线度，由旧体积变至新体积。此外，两个物体之间往往相隔一段距离，当其中任一物体运动时，它们的距离要发生改变。把所研究的一切物体的位置、线度、体积、距离（这些就是所谓“物质的广延性和伸张性”）加以最广泛地概括、抽象，用一个概念来表达，就形成‘空间’概念。任何（物体的）运动或变化的某一状态（如足球刚踢入球门，一杯水全部刚刚结成冰）必发生在某一瞬刻，一个运动或一个变化往往要经历一段时间间隔（如足球从球员的脚部至踢入球门有一段时间间隔，一杯水从开始结冰至全部结成冰也有一段时间间隔）。此外，一些运动或变化还有先后顺序的关系。把所研究的一切运动和变化的瞬刻、间隔、先后顺序（这些就是所谓“物质运动的间隔性和顺序性”）加以最广泛地概括、抽象，用一个概念来表达，就形成‘时间’概念。

以后我们将逐步讲到，牛顿力学、狭义相对论、广义相对论、有挠引力理论这几门理论中，时间、空间概念既有相同之处，也有不同之处。本章主要讲述牛顿力学关于时空的基本概念和基本规律，我们先来介绍牛顿对时间与空间的观点。

牛顿对时间的基本观点是：“绝对的、真实的、数学的…时间由其本身的特性所决定，它均匀地流逝着，与外在的所有事物没有任何关系，…而相对的、表象的和普通的时间是外在的并能被感知的，它是对运动的延续的度量，通常可用它来代替真实的时间。例如，我们日常所说的一小时、一天、一月或一年。” [1] 牛顿对空间的基本观点是：“绝对空间始终保持着一种不变和静止的状态，它也与一切外在事物无关。而相对空间则是…对绝对空间的度量，我们往往是通过它和和物体的相对位置来感知它。……”[1]牛顿还认为，物体的运动可分为绝对运动和相对运动。他把物体在绝对空间的运动叫做绝对运动，把物体在相对空间的运动叫做相对运动。

实验和观测事实告诉我们，在牛顿力学适用的范围内，可以认为上述牛顿对时间的基本观点是成立的。正是由于‘绝对的时间是均匀地流逝着，与外在的所有事物没有任何关系，牛顿力学才能认为空间任意两处的时间能够彼此相同。用钟表和其它计时装置所测定的时间都是相对的时间。

实验和观测事实也告诉我们，绝对空间是不存在的，因而绝对运动也不存在。只存在相对空间和相对运动。可能有人要说，用来肯定绝对空间不存在的

实验和观测事实可能不准确、解释也可能有错误（如迈克耳孙实验），还能相信绝对空间不存在吗？某个实验不准确、解释出错误是有可能的；若有这种情况，可以重做该实验或另设计进行其他新实验，也可以对实验结果重新解释。但还必须考虑整个物理学的发展情况，近代物理，包括相对论和量子理论都是建立在承认‘不存在绝对空间，只存在相对空间’的认识之上的；就是以肯定伽利略相对性原理为特色的牛顿力学也是建立在承认‘不存在绝对空间，只存在相对空间’的认识之上的。因此，若不相信绝对空间不存在，就要否定现有的相对论和量子理论，就要否定伽利略相对性原理。这必须拿出充分和完善的理论和实验根据，这做得到吗？再说，如果绝对空间存在，就必定存在绝对参照系。如何找出这个绝对参照系？这一简单的问题，谁也无法回答。

第一章参考文献

 [1] 牛顿，“自然哲学的数学原理”，1687年初版，曾琼瑶 王莹 王美霞译，2008，重庆出版社，重庆.