而我們的目標(biāo)恰恰正是對(duì)于我們生存其中的宇宙作完整的描述。

第二章空間和時(shí)間

我們現(xiàn)在關(guān)于物體運(yùn)動(dòng)的觀念來(lái)自于伽利略和牛頓。在他們之前，人們相信亞里士多德，他說(shuō)物體的自然狀態(tài)是靜止的，并且只在受到力或沖擊作用時(shí)才運(yùn)動(dòng)。這樣，重的物體比輕的物體下落得更快，因?yàn)樗艿礁蟮牧⑵淅虻厍颉?

亞里士多德的傳統(tǒng)觀點(diǎn)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(cè)去檢驗(yàn)它。所以，伽利略是第一個(gè)想看看不同重量的物體是否確實(shí)以不同速度下落的人。據(jù)說(shuō)，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(cuò)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(lèi)似于重物的垂直下落，只是因?yàn)樗俣刃《菀子^察而已。伽利略的測(cè)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(gè)沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上，你釋放一個(gè)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(gè)球有多重。當(dāng)然，一個(gè)鉛錘比一片羽毛下落得更快，那是因?yàn)榭諝鈱?duì)羽毛的阻力引起的。如果一個(gè)人釋放兩個(gè)不遭受任何空氣阻力的物體，例如兩個(gè)不同的鉛錘，它們則以同樣速度下降。航天員大衛(wèi)·斯各特在月亮上進(jìn)行了羽毛和鉛錘實(shí)驗(yàn)。因?yàn)闆](méi)有空氣阻礙東西下落。

伽利略的測(cè)量被牛頓用來(lái)作為他的運(yùn)動(dòng)定律的基礎(chǔ)。在伽利略的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)物體從斜坡上滾下時(shí)，它一直受到不變的外力（它的重量），其效應(yīng)是它被恒定地加速。這表明，力的真正效應(yīng)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(yùn)動(dòng)。同時(shí)，它還意味著，只要一個(gè)物體沒(méi)有受到外力，它就會(huì)以同樣的速度保持直線運(yùn)動(dòng)。這個(gè)思想是第一次被牛頓在1687年出版的《數(shù)學(xué)原理》一書(shū)中明白地?cái)⑹龀鰜?lái)，并被稱為牛頓第一定律。物體受力時(shí)發(fā)生的現(xiàn)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(zhì)量（或物質(zhì)的量）越大，則加速度越小，（以同樣的力作用于具有兩倍質(zhì)量的物體則只產(chǎn)生一半的加速度。）小汽車(chē)可提供一個(gè)熟知的例子，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率越大，則加速度越大，但是小汽車(chē)越重，則對(duì)同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)加速度越小。

除了他的運(yùn)動(dòng)定律，牛頓還發(fā)現(xiàn)了描述引力的定律：任何兩個(gè)物體都相互吸引，其引力大小與每個(gè)物體的質(zhì)量成正比。這樣，如果其中一個(gè)物體（例如a）的質(zhì)量加倍，則兩個(gè)物體之間的引力加倍。這是你能預(yù)料得到的，因?yàn)樾碌奈矬wa可看成兩個(gè)具有原先質(zhì)量的物體，每一個(gè)用原先的力來(lái)吸引物體b，所以a和b之間的總力加倍。其中一個(gè)物體質(zhì)量大到原先的2倍，另一物體大到3倍，則引力就大到6倍。現(xiàn)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(zhì)量也大到兩倍。按照牛頓第二定律，這兩個(gè)效應(yīng)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(yuǎn)，則引力越小。牛頓引力定律講，一個(gè)恒星的引力只是一個(gè)類(lèi)似恒星在距離小一半時(shí)的引力的1/4。這個(gè)定律極其精確地預(yù)言了地球、月亮和其他行星的軌道。如果這定律變?yōu)楹阈堑娜f(wàn)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(huì)以螺旋線的形狀盤(pán)旋到太陽(yáng)上去。如果引力減小得更慢，則遠(yuǎn)處恒星的引力將會(huì)超過(guò)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(gè)優(yōu)越的靜止?fàn)顟B(tài)，任何沒(méi)有受到外力和沖擊的物體都采取這種狀態(tài)。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(gè)靜止的唯一標(biāo)準(zhǔn)。人們可以講，物體a靜止而物體b以不變的速度相對(duì)于物體a運(yùn)動(dòng)，或物體b靜止而物體a運(yùn)動(dòng)，這兩種講法是等價(jià)的。例如，我們暫時(shí)將地球的自轉(zhuǎn)和它繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)置之一旁，則可以講地球是靜止的，一列火車(chē)以每小時(shí)90英里（1英里=公里）的速度向北前進(jìn)，或火車(chē)是靜止的，而地球以每小時(shí)90英里（1英里=公里）的速度向南運(yùn)動(dòng)。如果一個(gè)人在火車(chē)上以運(yùn)動(dòng)的物體做實(shí)驗(yàn)，所有牛頓定律都成立。例如，在火車(chē)上打乓乒球，將會(huì)發(fā)現(xiàn)，正如在鐵軌邊上一張臺(tái)桌上一樣，乓乒球服從牛頓定律，所以無(wú)法得知是火車(chē)還是地球在運(yùn)動(dòng)。

缺乏靜止的絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)表明，人們不能決定在不同時(shí)間發(fā)生的兩個(gè)事件是否發(fā)生在空間的同一位置。例如，假定在火車(chē)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(lái)看，這兩次彈跳發(fā)生在大約相距100米的不同的位置，因?yàn)樵谶@兩回彈跳的間隔時(shí)間里，火車(chē)已在鐵軌上走了這么遠(yuǎn)。這樣，絕對(duì)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(gè)絕對(duì)的空間的位置。事件的位置以及它們之間的距離對(duì)于在火車(chē)上和鐵軌上的人來(lái)講是不同的，所以沒(méi)有理由以為一個(gè)人的處境比他人更優(yōu)越。

牛頓對(duì)絕對(duì)位置或被稱為絕對(duì)空間的不存在感到非常憂慮，因?yàn)檫@和他的絕對(duì)上帝的觀念不一致。事實(shí)上，即使絕對(duì)空間的不存在被隱含在他的定律中，他也拒絕接受。因?yàn)檫@個(gè)非理性的信仰，他受到許多人的嚴(yán)厲批評(píng)，最有名的是貝克萊主教，他是一個(gè)相信所有的物質(zhì)實(shí)體、空間和時(shí)間都是虛妄的哲學(xué)家。當(dāng)人們將貝克萊的見(jiàn)解告訴著名的約翰遜博士時(shí)，他用腳尖踢到一塊大石頭上，并大聲地說(shuō)：“我要這樣駁斥它！”

亞里士多德和牛頓都相信絕對(duì)時(shí)間。也就是說(shuō)，他們相信人們可以毫不含糊地測(cè)量?jī)蓚€(gè)事件之間的時(shí)間間隔，只要用好的鐘，不管誰(shuí)去測(cè)量，這個(gè)時(shí)間都是一樣的。時(shí)間相對(duì)于空間是完全分開(kāi)并獨(dú)立的。這就是大部份人當(dāng)作常識(shí)的觀點(diǎn)。然而，我們必須改變這種關(guān)于空間和時(shí)間的觀念。雖然這種顯而易見(jiàn)的常識(shí)可以很好地對(duì)付運(yùn)動(dòng)甚慢的諸如蘋(píng)果、行星的問(wèn)題，但在處理以光速或接近光速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)卻根本無(wú)效。

光以有限但非常高的速度傳播的這一事實(shí)，由丹麥的天文學(xué)家歐爾·克里斯琴森·羅麥于1676年第一次發(fā)現(xiàn)。他觀察到，木星的月亮不是以等時(shí)間間隔從木星背后出來(lái)。不像如果月亮以不變速度繞木星運(yùn)動(dòng)時(shí)人們所預(yù)料的那樣。當(dāng)?shù)厍蚝湍拘嵌祭@著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，它們之間的距離在變化著。羅麥注意到我們離木星越遠(yuǎn)則木星的月食出現(xiàn)得越晚。他的論點(diǎn)是，因?yàn)楫?dāng)我們離開(kāi)更遠(yuǎn)時(shí)，光從木星月亮那兒要花更長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到我們這兒。然而，他測(cè)量到的木星到地球的距離變化不是非常準(zhǔn)確，所以他的光速的數(shù)值為每秒140000英里（1英里=公里），而現(xiàn)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(yùn)動(dòng)，并且測(cè)量了光速，他的成就是卓越的——要知道，這一切都是在牛頓發(fā)表《數(shù)學(xué)原理》之前11年進(jìn)行的。

直到1865年，當(dāng)英國(guó)的物理學(xué)家詹姆士·麥克斯韋成功地將當(dāng)時(shí)用以描述電力和磁力的部分理論統(tǒng)一起來(lái)以后，才有了光傳播的真正的理論。麥克斯韋方程預(yù)言，在合并的電磁場(chǎng)中可以存在波動(dòng)的微擾，它們以固定的速度，正如池塘水面上的漣漪那樣運(yùn)動(dòng)。如果這些波的波長(zhǎng)（兩個(gè)波峰之間的距離）為1米或更長(zhǎng)一些，這就是我們所謂的無(wú)線電波。更短波長(zhǎng)的波被稱做微波（幾個(gè)厘米）或紅外線（長(zhǎng)于萬(wàn)分之1厘米）。可見(jiàn)光的波長(zhǎng)在100萬(wàn)分之40到100萬(wàn)分之80厘米之間。更短的波長(zhǎng)被稱為紫外線、x射線和伽瑪射線。

麥克斯韋理論預(yù)言，無(wú)線電波或光波應(yīng)以某一固定的速度運(yùn)動(dòng)。但是牛頓理論已經(jīng)擺脫了絕對(duì)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(shuō)清這固定的速度是相對(duì)于何物來(lái)測(cè)量的。這樣人們提出，甚至在“真空”中也存在著一種無(wú)所不在的稱為“以太”的物體。正如聲波在空氣中一樣，光波應(yīng)該通過(guò)這以太傳播，所以光速應(yīng)是相對(duì)于以太而言。相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的不同觀察者，應(yīng)看到光以不同的速度沖他們而來(lái)，但是光對(duì)以太的速度是不變的。特別是當(dāng)?shù)厍虼┻^(guò)以太繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，在地球通過(guò)以太運(yùn)動(dòng)的方向測(cè)量的光速（當(dāng)我們對(duì)光源運(yùn)動(dòng)時(shí)）應(yīng)該大于在與運(yùn)動(dòng)垂直方向測(cè)量的光速（當(dāng)我們不對(duì)光源運(yùn)動(dòng)時(shí)）。1887年，阿爾貝特·麥克爾遜（后來(lái)成為美國(guó)第一個(gè)物理諾貝爾獎(jiǎng)獲得者）和愛(ài)德華·莫雷在克里夫蘭的卡思應(yīng)用科學(xué)學(xué)校進(jìn)行了非常仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)。他們將在地球運(yùn)動(dòng)方向以及垂直于此方向的光速進(jìn)行比較，使他們大為驚奇的是，他們發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)光速完全一樣！

在1887年到1905年之間，人們?cè)?jīng)好幾次企圖去解釋麥克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)。最著名者為荷蘭物理學(xué)家亨得利克·羅洛茲，他是依據(jù)相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的物體的收縮和鐘變慢的機(jī)制。然而，一位迄至當(dāng)時(shí)還不知名的瑞士專利局的職員阿爾貝特·愛(ài)因斯坦，在1905年的一篇著名的論文中指出，只要人們?cè)敢鈷仐壗^對(duì)時(shí)間的觀念的話，整個(gè)以太的觀念則是多余的。