
牛頓1643-1727年
一、牛頓的推理和假說
對於所謂『宇宙基準』問題,牛頓曾說,宇宙是由數目眾多的星雲和星際物質(主要是氣體)組成。如果宇宙的大小和物質的總量是有限的話,那麼可以設想總質量的『重心』,應該存在於宇宙的某處。所謂重心,簡單說來就是物體支撐在地面上能保持平衡的那點。從力學的角度考察,如果作為宇宙基準的這樣的物體存在的話,那麼它就是宇宙的重心。牛頓把相對於基準物體的運動叫做絕對運動。牛頓生前並沒有指出宇宙的重心在哪兒,這個理論不過是一個假說而已。牛頓去世后,這個理論正確與否,引起了後人的討論。
二、質能關係
從『時空概念』、『質能關係』到『宇宙結構』等,相對論所涉及的範圍是很廣的。相對論的成果,不僅僅限於揭示時空的概念,它還第一次闡明了質量與能量之間的關係。
三、相對論的創立背景——「以太」假說
宇宙空間看起來是空虛的。那麼到底是什麼東西,充滿了宇宙空間呢?從古希臘時代開始,就不斷有人考慮這個問題。亞里士多德曾認為,天體及天體之間充滿著大氣。牛頓在發現萬有引力時,也曾說:"如果認為萬有引力是通過一無所有的空虛縹緲的空間起作用的話,我認為這是荒唐可笑的。」但是牛頓對此想法,沒有進行更深入的探討。
以後,人們都習慣地認為,兩個物體之間的萬有引力是通過空虛的空間直接起作用的。換言之,當萬有引力在兩個物體間起作用時,這兩個物體之間的空間與萬有引力作用毫無關係。這種想法,可以叫做——力的"直接傳遞說」。 1、「以太」假說 物理學史上,最早把『以太』,看成是充斥在空間的物質,荷蘭物理學者惠更斯(1629-1695)曾認為,「光」就是一種在「以太」中發生的彈性波。英國物理學者法拉第(1791-1867)同樣認為,帶電物體之間的電作用和磁作用,是在「以太」媒質中發生的。當時人們認為,光與聲波一樣,都是一種波。如果是波,就應該存在一種傳播它的介質(介質就是指波狀運動藉以傳播的物質。比如,聲音的介質是空氣;海浪的介質是海水……)。宇宙里沒有象地面那樣的空氣,光卻能到達地球(網友釋注,宇宙是個無限大的空間,到目前為止,人類還不能認識其『億分之一』,不能下結論說,只有地球上有空氣。在別的星球上,只要有合適的環境,照樣可以有空氣的存在,不一定只是地球才有空氣,其他星球也不一定沒有空氣,只是現在還有沒發現)。當時認為,宇宙中存在能傳播光的介質。由此設想:填充宇宙空間的未知介質是「以太」。就是說,就像地球上存在空氣一樣,宇宙里存在著「以太」。 2、「以太」被看成寧靜的海洋 當時的物理學家認為,「以太」或許有與普通物質不同的特點。普通物質都是分子集合體,分子由原子組成,原子則由原子核及核外電子組成。原子是一種間隙很大的結構。假如把一個原子的直徑,放大到1公里(2華里),那麼原子核只不過是直徑約1厘米的球體,在它的周圍有1厘米大小的電子,在繞核飛轉著(實際上,電子半徑的大小不會超過10的-13次方m)。從比喻意義上說,在直徑1公里的巨大立體空間里,只有一些1厘米那麼小的極微在旋轉。所以,我們簡直可以近似地認為,這個空間幾乎是空虛的。原子核與電子是由電磁力的作用而結合成原子的。當時就認為,在原子的空間,或許存在著以『電磁力』作為媒介的「以太」。「以太」被看做是寧靜的海洋,它無處不在,充滿整個宇宙,而且在宇宙中保持靜止。過去的物理學家認為,「以太海洋」是相對於『宇宙的重心』保持著靜止狀態。正如有的學者形容的:「如果把宇宙比喻成一個『金魚缸』,以太海就是『金魚缸』的水。而在以太海中運動的『地球』,就彷彿是在水中遊動的『金魚』。」(《相對論淺說-宇宙時代的常識》[日]豬木正文)正如以『水』為基準,來考慮『金魚』的運動和靜止最為方便,以「以太海」為基準,來考慮『地球的運動』也容易理解。前面,我們曾提到,古典力學中的「絕對靜止空間」及「坐標系」,現在,讓我們複習一下什麼是"坐標系」。
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「坐標系」指的是用來測量靜止或運動物體的位置及時間基準的。



簡單地說,「坐標系」是用來把握空間及時間的一種圖示 。這種坐標系,不僅可以包括空間(X軸、Y軸、z軸),並且在也可以包括時間。在數學中,是一種『n個數』的序列,可以被理解為一個n維空間中的位置。當n=4時,所有這些位置的集合,就叫四維空間』。這種空間,與我們熟悉並在其中快樂生活的三維空間不同,因為它多了一個維數。《四維空間 百科資料》過去人們曾假設,『以太』有一個無形的不會變動的坐標系,那就是『絕對靜止的空間』,而『天體』就飄浮在這個『絕對靜止的空間』。如果把宇宙比作一個超巨玻璃缸,裡面充滿看不見、摸不著的、靜止不會動的『以太』水,超巨『玻璃缸』的邊兒,就是固定的隱形坐標系。這就是牛頓的絕對性物理學觀點。謝謝閱讀。