时间简史——从大爆炸到黑洞005.doc

第二章空间和时间

我们现在关于物体运动的观念来自于伽利略和牛顿。在他们之前，人们相信亚里士

多德，他说物体的自然状态是静止的，并且只在受到力或冲击作用时才运动。这样，重

的物体比轻的物体下落得更快，因为它受到更大的力将其拉向地球。

亚里士多德的传统观点还以为，人们用纯粹思维可以找出制约宇宙的定律：不必要

用观测去检验它。所以，伽利略是第一个想看看不同重量的物体是否确实以不同速度下

落的人。据说，伽利略从比萨斜塔上将重物落下，从而证明了亚里士多德的信念是错的。

这故事几乎不可能是真的，但是伽利略的确做了一些等同的事——将不同重量的球从光

滑的斜面上滚下。这情况类似于重物的垂直下落，只是因为速度小而更容易观察而已。

伽利略的测量指出，不管物体的重量是多少，其速度增加的速率是一样的。例如，在一

个沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上，你释放一个球，则1秒钟后球的速度为每秒

1米，2秒钟后为每秒2米等等，而不管这个球有多重。当然，一个铅锤比一片羽毛下落得

更快，那是因为空气对羽毛的阻力引起的。如果一个人释放两个不遭受任何空气阻力的

物体，例如两个不同的铅锤，它们则以同样速度下降。

伽利略的测量被牛顿用来作为他的运动定律的基础。在伽利略的实验中，当物体从

斜坡上滚下时，它一直受到不变的外力（它的重量），其效应是它被恒定地加速。这表

明，力的真正效应总是改变物体的速度，而不是像原先想像的那样，仅仅使之运动。同

时，它还意味着，只要一个物体没有受到外力，它就会以同样的速度保持直线运动。这

个思想是第一次被牛顿在1687年出版的《数学原理》一书中明白地叙述出来，并被称为

牛顿第一定律。物体受力时发生的现象则由牛顿第二定律所给出：物体被加速或改变其

速度时，其改变率与所受外力成比例〃例如，如果力加倍，则加速度也将加倍々物

体的质量（或物质的量）越大，则加速度越小，（以同样的力作用于具有两倍质量的物

体则只产生一半的加速度々小汽车可提供一个熟知的例子，发动机的功率越大，则加

速度越大，但是小汽车越重，则对同样的发动机加速度越小。

除了他的运动定律，牛顿还发现了描述引力的定律：任何两个物体都相互吸引，其

引力大小与每个物体的质量成正比。这样，如果其中一个物体（例如A）的质量加倍，则

两个物体之间的引力加倍。这是你能预料得到的，因为新的物体A可看成两个具有原先质

量的物体，每一个用原先的力来吸引物体B，所以A和B之间的总力加倍。其中一个物体质

量大到原先的2倍，另一物体大到3倍，则引力就大到6倍。现在人们可以看到，何以落体

总以同样的速率下降：具有2倍重量的物体受到将其拉下的2倍的引力，但它的质量也大

到两倍。按照牛顿第二定律，这两个效应刚好互相抵消，所以在所有情形下加速度是同

样的。

牛顿引力定律还告诉我们，物体之间的距离越远，则引力越小。牛顿引力定律讲，

一个恒星的引力只是一个类似恒星在距离小一半时的引力的4分之1。这个定律极其精确

地预言了地球、月亮和其他行星的轨道。如果这定律变为恒星的万有引力随距离减小得

比这还快，则行星轨道不再是椭圆的，它们就会以螺旋线的形状盘旋到太阳上去。如果

引力减小得更慢，则远处恒星的引力将会超过地球的引力。

亚里士多德和伽利略——牛顿观念的巨大差别在于，亚里士多德相信存在一个优越

的静止状态，任何没有受到外力和冲击的物体都采取这种状态。特别是他以为地球是静

止的。但是从牛顿定律引出，并不存在一个静止的唯一标准。人们可以讲，物体A静止而

物体B以不变的速度相对于物体A运动，或物体B静止而物体A运动，这两种讲法是等价的。

例如，我们暂时将地球的自转和它绕太阳的公转置之一旁，则可以讲地球是静止的，一

列火车以每小时90英哩的速度向北前进，或火车是静止的，而地球以每小时90英哩的速

度向南运动。如果一个人在火车上以运动的物体做实验，所有牛顿定律都成立。例如，

在火车上打乓乒球，将会发现，正如在铁轨边上一张台桌上一样，乓乒球服从牛顿定律，

所以无法得知是火车还是地球在运动。

缺乏静止的绝对的标准表明，人们不能决定在不同时间发生的两个事件是否发生在

空间的同一位置。例如，假定在火车上我们的乓乒球直上直下地弹跳，在一秒钟前后两

次撞到桌面上的同一处。在铁轨上的人来看，这两次弹跳发生在大约相距100米的不同的

位置，因为在这两回弹跳的间隔时间里，火车已在铁轨上走了这么远。这样，绝对静止

的不存在意味着，不能像亚里士多德相信的那样，给事件指定一个绝对的空间的位置。

事件的位置以及它们之间的距离对于在火车上和铁轨上的人来讲是不同的，所以没有理

由以为一个人的处境比他人更优越。

牛顿对绝对位置或被称为绝对空间的不存在感到非常忧虑，因为这和他的绝对上帝

的观念不一致。事实上，即使绝对空间的不存在被隐含在他的定律中，他也拒绝接受。

因为