而我們的目標恰恰正是對于我們生存其中的宇宙作完整的描述。

第二章空間和時間

我們現在關于物體運動的觀念來自于伽利略和牛頓。在他們之前，人們相信亞里士多德，他說物體的自然狀態是靜止的，并且只在受到力或沖擊作用時才運動。這樣，重的物體比輕的物體下落得更快，因為它受到更大的力將其拉向地球。

亞里士多德的傳統觀點還以為，人們用純粹思維可以找出制約宇宙的定律：不必要用觀測去檢驗它。所以，伽利略是第一個想看看不同重量的物體是否確實以不同速度下落的人。據說，伽利略從比薩斜塔上將重物落下，從而證明了亞里士多德的信念是錯的。這故事幾乎不可能是真的，但是伽利略的確做了一些等同的事——將不同重量的球從光滑的斜面上滾下。這情況類似于重物的垂直下落，只是因為速度小而更容易觀察而已。伽利略的測量指出，不管物體的重量是多少，其速度增加的速率是一樣的。例如，在一個沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上，你釋放一個球，則1秒鐘后球的速度為每秒1米，2秒鐘后為每秒2米等等，而不管這個球有多重。當然，一個鉛錘比一片羽毛下落得更快，那是因為空氣對羽毛的阻力引起的。如果一個人釋放兩個不遭受任何空氣阻力的物體，例如兩個不同的鉛錘，它們則以同樣速度下降。航天員大衛·斯各特在月亮上進行了羽毛和鉛錘實驗。因為沒有空氣阻礙東西下落。

伽利略的測量被牛頓用來作為他的運動定律的基礎。在伽利略的實驗中，當物體從斜坡上滾下時，它一直受到不變的外力（它的重量），其效應是它被恒定地加速。這表明，力的真正效應總是改變物體的速度，而不是像原先想像的那樣，僅僅使之運動。同時，它還意味著，只要一個物體沒有受到外力，它就會以同樣的速度保持直線運動。這個思想是第一次被牛頓在1687年出版的《數學原理》一書中明白地敘述出來，并被稱為牛頓第一定律。物體受力時發生的現象則由牛頓第二定律所給出：物體被加速或改變其速度，其改變率與所受外力成比例。（例如，如果力加倍，則加速度也將加倍。）物體的質量（或物質的量）越大，則加速度越小，（以同樣的力作用于具有兩倍質量的物體則只產生一半的加速度。）小汽車可提供一個熟知的例子，發動機的功率越大，則加速度越大，但是小汽車越重，則對同樣的發動機加速度越小。

除了他的運動定律，牛頓還發現了描述引力的定律：任何兩個物體都相互吸引，其引力大小與每個物體的質量成正比。這樣，如果其中一個物體（例如a）的質量加倍，則兩個物體之間的引力加倍。這是你能預料得到的，因為新的物體a可看成兩個具有原先質量的物體，每一個用原先的力來吸引物體b，所以a和b之間的總力加倍。其中一個物體質量大到原先的2倍，另一物體大到3倍，則引力就大到6倍?，F在人們可以看到，何以落體總以同樣的速率下降：具有2倍重量的物體受到將其拉下的2倍的引力，但它的質量也大到兩倍。按照牛頓第二定律，這兩個效應剛好互相抵消，所以在所有情形下加速度是同樣的。

牛頓引力定律還告訴我們，物體之間的距離越遠，則引力越小。牛頓引力定律講，一個恒星的引力只是一個類似恒星在距離小一半時的引力的1/4。這個定律極其精確地預言了地球、月亮和其他行星的軌道。如果這定律變為恒星的萬有引力隨距離減小得比這還快，則行星軌道不再是橢圓的，它們就會以螺旋線的形狀盤旋到太陽上去。如果引力減小得更慢，則遠處恒星的引力將會超過地球的引力。

亞里士多德和伽利略——牛頓觀念的巨大差別在于，亞里士多德相信存在一個優越的靜止狀態，任何沒有受到外力和沖擊的物體都采取這種狀態。特別是他以為地球是靜止的。但是從牛頓定律引出，并不存在一個靜止的唯一標準。人們可以講，物體a靜止而物體b以不變的速度相對于物體a運動，或物體b靜止而物體a運動，這兩種講法是等價的。例如，我們暫時將地球的自轉和它繞太陽的公轉置之一旁，則可以講地球是靜止的，一列火車以每小時90英里（1英里=公里）的速度向北前進，或火車是靜止的，而地球以每小時90英里（1英里=公里）的速度向南運動。如果一個人在火車上以運動的物體做實驗，所有牛頓定律都成立。例如，在火車上打乓乒球，將會發現，正如在鐵軌邊上一張臺桌上一樣，乓乒球服從牛頓定律，所以無法得知是火車還是地球在運動。

缺乏靜止的絕對的標準表明，人們不能決定在不同時間發生的兩個事件是否發生在空間的同一位置。例如，假定在火車上我們的乓乒球直上直下地彈跳，在一秒鐘前后兩次撞到桌面上的同一處。在鐵軌上的人來看，這兩次彈跳發生在大約相距100米的不同的位置，因為在這兩回彈跳的間隔時間里，火車已在鐵軌上走了這么遠。這樣，絕對靜止的不存在意味著，不能像亞里士多德相信的那樣，給事件指定一個絕對的空間的位置。事件的位置以及它們之間的距離對于在火車上和鐵軌上的人來講是不同的，所以沒有理由以為一個人的處境比他人更優越。

牛頓對絕對位置或被稱為絕對空間的不存在感到非常憂慮，因為這和他的絕對上帝的觀念不一致。事實上，即使絕對空間的不存在被隱含在他的定律中，他也拒絕接受。因為這個非理性的信仰，他受到許多人的嚴厲批評，最有名的是貝克萊主教，他是一個相信所有的物質實體、空間和時間都是虛妄的哲學家。當人們將貝克萊的見解告訴著名的約翰遜博士時，他用腳尖踢到一塊大石頭上，并大聲地說：“我要這樣駁斥它！”

亞里士多德和牛頓都相信絕對時間。也就是說，他們相信人們可以毫不含糊地測量兩個事件之間的時間間隔，只要用好的鐘，不管誰去測量，這個時間都是一樣的。時間相對于空間是完全分開并獨立的。這就是大部份人當作常識的觀點。然而，我們必須改變這種關于空間和時間的觀念。雖然這種顯而易見的常識可以很好地對付運動甚慢的諸如蘋果、行星的問題，但在處理以光速或接近光速運動的物體時卻根本無效。

光以有限但非常高的速度傳播的這一事實，由丹麥的天文學家歐爾·克里斯琴森·羅麥于1676年第一次發現。他觀察到，木星的月亮不是以等時間間隔從木星背后出來。不像如果月亮以不變速度繞木星運動時人們所預料的那樣。當地球和木星都繞著太陽公轉時，它們之間的距離在變化著。羅麥注意到我們離木星越遠則木星的月食出現得越晚。他的論點是，因為當我們離開更遠時，光從木星月亮那兒要花更長的時間才能達到我們這兒。然而，他測量到的木星到地球的距離變化不是非常準確，所以他的光速的數值為每秒140000英里（1英里=公里），而現在的值為每秒186000英里（1英里=公里）。盡管如此，羅麥不僅證明了光以有限速度運動，并且測量了光速，他的成就是卓越的——要知道，這一切都是在牛頓發表《數學原理》之前11年進行的。

直到1865年，當英國的物理學家詹姆士·麥克斯韋成功地將當時用以描述電力和磁力的部分理論統一起來以后，才有了光傳播的真正的理論。麥克斯韋方程預言，在合并的電磁場中可以存在波動的微擾，它們以固定的速度，正如池塘水面上的漣漪那樣運動。如果這些波的波長（兩個波峰之間的距離）為1米或更長一些，這就是我們所謂的無線電波。更短波長的波被稱做微波（幾個厘米）或紅外線（長于萬分之1厘米）。可見光的波長在100萬分之40到100萬分之80厘米之間。更短的波長被稱為紫外線、x射線和伽瑪射線。

麥克斯韋理論預言，無線電波或光波應以某一固定的速度運動。但是牛頓理論已經擺脫了絕對靜止的觀念，所以如果假定光是以固定的速度傳播，人們必須說清這固定的速度是相對于何物來測量的。這樣人們提出，甚至在“真空”中也存在著一種無所不在的稱為“以太”的物體。正如聲波在空氣中一樣，光波應該通過這以太傳播，所以光速應是相對于以太而言。相對于以太運動的不同觀察者，應看到光以不同的速度沖他們而來，但是光對以太的速度是不變的。特別是當地球穿過以太繞太陽公轉時，在地球通過以太運動的方向測量的光速（當我們對光源運動時）應該大于在與運動垂直方向測量的光速（當我們不對光源運動時）。1887年，阿爾貝特·麥克爾遜（后來成為美國第一個物理諾貝爾獎獲得者）和愛德華·莫雷在克里夫蘭的卡思應用科學學校進行了非常仔細的實驗。他們將在地球運動方向以及垂直于此方向的光速進行比較，使他們大為驚奇的是，他們發現這兩個光速完全一樣！

在1887年到1905年之間，人們曾經好幾次企圖去解釋麥克爾遜——莫雷實驗。最著名者為荷蘭物理學家亨得利克·羅洛茲，他是依據相對于以太運動的物體的收縮和鐘變慢的機制。然而，一位迄至當時還不知名的瑞士專利局的職員阿爾貝特·愛因斯坦，在1905年的一篇著名的論文中指出，只要人們愿意拋棄絕對時間的觀念的話，整個以太的觀念則是多余的。