牛顿时空观与爱因斯坦时空观

牛顿时空观与爱因斯坦时空观

我们知道牛顿的哲学思想基本属于自发的唯物主义思想,他承认时间、空间的客观存在，但却把它们看成是与运动着的物质相脱离的。牛顿认为时间、空间是客观存在的，但同时也认为时间和空间同运动的物质是脱离的，相互之间没有必然的联系，进而提出了所谓的绝对时间和绝对空间的概念。绝对时间和绝对空间虽然承认空间和时间的客观性，但认为时空与物质运动无关，可以脱离物质的运动而独立存在，时空的具体特性不受物质运动的影响，是绝对不变的。形而上学的绝对时空观的萌芽早在古希腊哲学中就出现了。古希腊哲学家德谟克利特认为，空间是无物的“虚空”，原子在“虚空”中运动．科学史上也出现过没有物质的“真空”的概念。这些没有物质的空间的观念，同时也就包含了没有物质的时间的观念，因为“虚空”、“真空”同样经历着时间的流逝过程。这种观点发展到16世纪中期，被牛顿进一步理论化。牛顿认为，时间是和物质运动无关，绝对均匀流逝的纯粹的持续性；空间是和物质相脱离的绝对虚空的框框，物质可以充塞其中，但它本身是永远不变不动的。牛顿把自己这样理解的时间和空间，叫做“绝对时间”和“绝对空间”。这种形而上学的绝对时空观，在人类认识史上一度占据统治地位，直到二十世纪初才从根本上被动摇。现代自然科学已经证明，绝对的“虚空”是不存在的，物理学上的“真空”，并不是真正的空虚无物，而是存在着引力场、电磁场等特殊物质。特别是非欧几何学的被承认和相对论的创立，深刻揭示了时间和空间的特性对物质运动的依赖关系，绝对时空观才被作为错误的东西而否定。辩证唯物主义认为，一切物质运动总要经历时间和占有空间，这是绝对的，不变的；而各个具体事物的时空特性，却又是相对的，可变的，它受具体事物运动的特性所决定和制约。坚持时空与物质运动不可分的观点，不仅克服了形而上学时空观，还能够在时空问题上把唯物主义贯彻到底。相对论之父爱因斯坦认为宇宙是有限无边的。若根据常识认为有限就必然有边，有人就会反驳说：“就如同一个球的表面，你能找到边吗？”。这种用三维中的二维表现的直观方式，来类推理解三维在四维的现实时空的表现，使自以为理解爱因斯坦宇宙观的人多么理直气壮，使怀疑者哑口无言。这种解释方式如此简单明了，现已成为理解解释时空的第四维----时间的经典方式，用维数类推解释时间的方法是否就如同其简单明了一样是准确无误的？仔细分析就会发现，二维平面和立体的第三维之间，并不存在变化的相关性。二维平面可以在立体的第三维不发生任何变化的情况下，发生任何变化；但时空的第四维----时间，却是与空间的其它三维密切相关的，没有时间的变化，三维空间是不可能发生变化的。空间的三维，都具有变化上的独立性；任何一维或二维都可以在其它二维或三维不变的情况下发生变化。但空间三维的任何形式的变化都是离不开时间的。用二维在三维中的表现来类推三维在四维现实时空中的表现，就是把变化的不相关性强行加给了变化的相关性的事物，犯了本质性的错误。时间是那么琢磨不透，以至于自以为理解并深信其存在者大谈特谈“时间燧道”，但怀疑时间存在者大有人在，有的还是很有名的科学家。作为整个物质世界的现实存在而言，每一刻的存在都能用一个函数F(X,Y,Z)来表示, XYZ分别代表长宽高，这其中并不需要时间出现,可以说现实存在与时间无关。时间代表现实的来由或现实的形成过程,并不代表现实存在本身。如果我们要用时间来表示这个存在，这个函数将变为F(V*T), V为变化的速度,值域为0~C。当我们以现在的时间为基准，对过去每一刻的存在作时间标记，过去的每刻的现实存在将变成一维时间的函数；当我们用空间三维准确定位过去的现实存在，我们会发现它总会与一时间一一对应。这样，时间空间不过是完整时空的不同侧面，我们从一维角度分析完整时空，时空表现为时间；我们从三维角度分析完整时空，时空表现为空间。现实存在因我们分析的角度不同而表现为时间或空间特性，时间空间是完整时空的不同侧面。上面的分析应是对牛顿绝对时空观的重新理解，牛顿的时间表面上是均匀流失与空间变化无关的，但实际上是一种与过去的现实存在完全溶合，一维化分析现实存在的时间观。但整个体系是建立在人们对过去现实能完全把握的理想化基础上的，而低速的成功证明了这种时空观的正确。爱因斯坦的相对论着眼于观察者眼中的世界，这个世界正好是三维变成二维的结果，由于光速的限制，时间成为描述这个世界的新的一维。观察者眼中的世界和爱因斯坦的相对论的四维时空一样都是有限的。爱因斯坦有限无边的宇宙模型证明人类无论怎样努力，能观测到的宇宙都是有限的。1905年，爱因斯坦狭义相对论的诞生，如同所有新理论的提出一样，是人们发现了旧有理论与实验之间存在相悖之处，这也是一种新理论研究的真正动机与来源，也是实验研究的方向；而且，一种新理论的提出，它不是纯实验公式的总结，是从感性到理性的质的飞跃。19世纪，电磁学得到蓬勃发展，经过麦克斯韦、赫兹等人的努力，形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学。然而，电动力学遇到了一个重大问题，即与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。关于相对性原理的思想，早在伽利略和牛顿时期就已出现，电磁学的发展最初也纳入了牛顿力学的框架，但在解释运动物体的电磁过程时遇到了困难。按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度，也就是光的速度是一个恒量，然而按照牛顿力学的速度加法原理，不同惯性系的光速不同，这就出现了一个问题——适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学？光速是不变的量还是可变的量，成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。1905年6月30日，爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》完成，并于同年9月刊发在德国《物理学年鉴》上。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容；狭义相对论所根据的是两条原理：相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦在时空观彻底变革基础上建立的相对论力学，提出质量随速度的增加而增加，当速度接近光速时质量趋于无穷大，并且给出了著名的质能关系式E＝m·c2，质能关系式对后来的原子能事业起到了指导作用。