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    我們現在關於物體運動的觀念來自於伽利略和牛頓。

    在他們之前，人們相信亞裏士多德，他說物體的自然狀態是靜止的，並且隻有在受到力或衝擊的推動時才運動。這樣，重的物體比輕的物體下落得更快，因為它受到更大的將其拉向地球的力。

    亞裏士多德的傳統觀點還以為，人們依靠純粹思維即可以找出所有製約宇宙的定律：不必要用觀測去檢驗之。

    這樣，在伽利略之前，沒有一個人想看看不同重量的物體是否確實以不同速度下落。據說，伽利略從比薩斜塔上將重物落下，從而證明了亞裏士多德的信念是錯的。這故事幾乎不足以信，但是伽利略的確做了一些等效的事——讓不同重量的球沿光滑的斜麵上滾下。這情況類似於重物的垂直下落，隻是因為速度小而更容易觀察而已。伽利略的測量指出，不管物體的重量多少，其速度增加的速率是一樣的。例如，你在一個沿水平方向每走10米即下降1米的斜麵上釋放1個球，則1秒鍾後球的速度為每秒1米，2秒鍾後為每秒2米，等等，而不管這個球多重。當然，一個鉛錘比一片羽毛下落得更快些，那隻是因為空氣阻力將羽毛的速度降低。如果一個人釋放兩個不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。在沒有空氣阻礙東西下落的月球上，航天員大衛，斯各特進行了羽毛和鉛錘實驗，並且發現兩者確實同時落到月麵上。

    牛頓把伽利略的測量當做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，它一直受到不變外力（它的重量）的作用，其效應是使它恒定地加速。

    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，隻要物體沒有受到外力，它就會以同樣的速度保持直線運動。

    這一思想首次在牛頓於1687年出版的《數學原理》（即《自然哲學的數學原理》，下同——編者注）一書中明白地陳述出來，並被稱為牛頓第一定律。牛頓第二定律給出物體在受力時發生的現象：物體在被加速或改變其速度時，其改變率與所受的外力成比例。（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（以同樣的力作用於具有兩倍質量的物體時隻產生一半的加速度）。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，則對於同樣的發動機，則加速度越小。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比例。於是，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。而如果，比如說，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。現在人們可以看到，為何落體總以同樣的速率下降：具有兩倍重量的物體受到將其向下拉的兩倍的引力，但它的質量也大到兩倍。按照牛頓第二定律，這兩個效應剛好相互抵消，所以在所有情形下加速度都是相同的。

    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，一個恒星的引力隻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。如果這定律中恒星的萬有引力隨距離減小或者增大得快一些，則行星軌道不再是橢圓的了，它們就會以螺旋線的形狀要麽盤旋到太陽上去，要麽從太陽逃逸。

    亞裏士多德和伽利略-牛頓觀念的巨大差別在於，亞裏士多德相信一個優越的靜止狀態，任何沒有受到外力和衝擊的物體都取這種狀態。特別是他以為地球是靜止的。

    但是從牛頓定律可以推斷，並不存在惟一的靜止標準。人們可以講，物體A靜止而物體B以不變的速度相對於物體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，我們暫時不理睬地球的自轉和它圍繞太陽的公轉，則可以講地球是靜止的，一輛有軌電車以每小時30英裏的速度向東運動，或有軌電車是靜止的，而地球以每小時30英裏的速度向西運動。如果一個人在有軌電車上做運動物體的實驗，所有牛頓定律仍然都成立。例如，在有軌電車上打乒乓球，人們將會發現，正如在鐵軌旁一張台桌上的球一樣，乒乓球服從牛頓定律，所以無法得知究竟是火車還是地球在運動。

    缺乏靜止的絕對標準意味著，人們不能確定，在不同時間發生的兩個事件是否發生在空間的相同位置上。例如，假定在有軌電車上我們的乒乓球直上直下地彈跳，在1秒鍾前後兩次撞到桌麵上的同一處。在鐵軌上的人來看，這兩次彈跳似乎發生在大約相距13米的不同的位置上，因為在這兩回彈跳的時間間隔裏，有軌電車已在鐵軌上走了這麽遠。

    這樣，不存在絕對靜止意味著不能像亞裏士多德相信的那樣，給事件指定一個絕對的空間位置。事件的位置以及它們之間的距離對於在有軌電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立場比別人的更優越。

    牛頓對不存在絕對位置或所謂絕對空間非常憂慮，因為這和他的絕對上帝的觀念不一致。事實上，即使他的定律隱含著絕對空間的不存在，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，其中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，他用腳趾踢到一塊大石頭上，並大叫道：

    我要這樣駁斥它！”

    亞裏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，隻要用好的鍾，不管誰去測量，這個時間都是一樣的。時間相對於空間是完全分離並且獨立的。這就是大部分人當作常識的觀點。然而，我們必須改變這種關於空間和時間的觀念。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。

    1676年，丹麥的天文學家歐爾·克裏斯琴森·羅默第一次發現了，光以有限但非常高的速度旅行的事實。他觀察到，木星的衛星不是以等時間間隔從木星背後出來，不像如果衛星以不變速度圍繞木星運動時，人們會預料的那樣。當地球和木星都圍繞著太陽公轉時，它們之間的距離在變化著。羅默注意到，我們離木星越遠則木星的月食出現得越晚。他論證道，因為當我們離開更遠時，光從木星衛星那裏要花更長的時間才能達到我們這裏。然而，他測得的木星到地球的距離變化不是非常準確，與現在的每秒186000英裏的值相比較，那麽他所測的光速的數值為每秒140000英裏。盡管如此，羅默不僅證明了光以有限速度行進，並且測量了那個速度，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年做出的。

    直到1865年，當英國的物理學家詹姆斯·麥克斯韋成功地將直到當時用以描述電力和磁力的部分理論統一起來以後，才有了光傳播的正確的理論。麥克斯韋方程預言，在合並的電磁場中可以存在波動的微擾，它們以固定的速度，正如池塘水麵上的漣漪那樣行進。如果這些波的波長（兩個相鄰波峰之間的距離）為1米或更長一些，它們就是我們所謂的射電波。更短波長的波稱做微波（幾厘米）或紅外線（長於萬分之一厘米）。可見光的波長在一百萬分之四十至一百萬分之八十厘米之間。更短的波長被稱為紫外線、X射線和伽馬射線。

    麥克斯韋理論預言，射電波或光波應以某一固定的速度行進。但是牛頓理論已經擺脫了絕對靜止的觀念，所以如果假定光以固定的速度行進，人們就必須說清這固定的速度是相對於何物來測量的。因此有人提出，存在著一種無所不在的稱為“以太”的物質，甚至在“真空的”空間中也是如此。正如聲波在空氣中行進一樣，光波應該通過以太行進，所以它們的速度應是相對於以太而言的。相對於以太運動的不同觀察者，會看到光以不同的速度衝他們而來，但是光對以太的速度保持不變。特別是當地球在它圍繞太陽的軌道穿過以太時，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）應該大於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，阿爾伯特·邁克耳孫（他後來成為美國第一位諾貝爾物理學獎獲得者）和愛德華·莫雷在克裏夫蘭的凱思應用科學學校進行了一個非常仔細的實驗。他們將沿地球運動方向以及垂直於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年至1905年之間，最著名者為荷蘭物理學家亨得利克·洛倫茲做出的。然而，一位迄至當時還默默無名的瑞士專利局的職員阿爾伯特·愛因斯坦，在1905年的一篇著名的論文中指出，隻要人們願意拋棄絕對時間觀念的話，整個以太的觀念則是多餘的。幾個星期之後，法國第一流的數學家亨利·龐加萊也提出類似的觀點。愛因斯坦的論證比龐加萊的論證更接近物理，後者將其考慮為數學問題。通常這個新理論歸功於愛因斯坦，但人們不會忘記龐加萊的名字在其中起了重要的作用。

    這個被稱為相對論的基本假設是，不管觀察者以任何速度作自由運動，相對於他們而言，科學定律都應該是一樣的。這對於牛頓的運動定律當然是對的，但是現在這個觀念被擴展到包括麥克斯韋理論和光速：不管觀察者運動多快，他們應測量到一樣的光速。這簡單的觀念有一些非凡的結論。可能最著名者莫過於質量和能量的等價，這可用愛因斯坦著名的方程E=mc2來表達（E是能量，m是質量，c是光速），以及沒有任何東西可能行進得比光還快的定律。由於能量和質量的等價，物體由於它的運動具有的能量應該加到它的質量上去。換言之，要加速它將更為困難。這個效應隻有當物體以接近於光速的速度運動時才有實際的意義。例如，以10%光速運動的物體的質量隻比原先增加了0.5%，而以90%光速運動的物體，其質量變得比正常質量的2倍還多。當一個物體接近光速時，它的質量上升得越來越快，這樣它需要越來越多的能量才能進一步加速上去。實際上它永遠不可能達到光速，因為那時質量會變成無限大，而根據質量能量等價原理，這就需要無限大的能量才能做到。由於這個原因，相對論限製了物體運動的速度：任何正常的物體永遠以低於光速的速度運動，隻有光或其他沒有內稟質量的波才能以光速運動。

    相對論的一個同等非凡的推論是，它變革了我們空間和時間的觀念。在牛頓理論中，如果有一光脈衝從一處發到另一處，（由於時間是絕對的）不同的觀測者對這個行程所花的時間不會有異議，但是（因為空間不是絕對的）他們在光行進的距離上不會總取得一致的意見。由於光速正是它行進過的距離除以花費的時間，不同的觀察者就測量到不同的光速。另一方麵，在相對論中，所有的觀察者必須在光以多快速度行進上取得一致意見。然而，在光行進過多遠的距離上，他們仍然不能取得一致意見。因此，現在他們對光要花費多少時間上應該也不會取得一致意見。（花費的時間正是用光速——對這一點所有的觀察者都意見一致——去除光行進過的距離——對這一點他們意見不一致。）換言之，相對論終結了絕對時間的觀念！看來每個觀察者都一定有他自己的時間測度，這是用他自己所攜帶的鍾記錄的，而不同觀察者攜帶的同樣的鍾的讀數不必要一致。

    每個觀察者都可以利用雷達發出光或射電波脈衝來說明一個事件在何處何時發生。一部分脈衝在事件反射回來後，觀察者可在他接收到回波時測量時間。事件的時間可認為是脈衝被發出和反射被接收的兩個時刻的中點：而事件的距離可取這來回行程時間的一半乘以光速（在這個意義上，一個事件是發生在空間的單獨一點以及指定時間的一點的某件事）。這個思想被顯示在上。利用這個步驟，作相互運動的觀察者對同一事件可賦予不同的時間和位置。沒有一個特別的觀察者的測量比任何其他人的更正確，但是所有這些測量都是相關的。隻要一個觀察者知道其他人的相對速度，他就能準確算出其他人會賦予同一事件的時間和位置。