第一章从亚里士多德到牛顿
有一些物理概念是很平凡的。但平凡的概念却往往不是
简单的。
比如，“今天早上八点钟我在家里开始看书”，这是一句很
普通的话。然而，其中已经涉及两个最基本的概念。“今天早
上八点钟”，是表示时间；“在家里”，是地点，也就是空间位置。
时间和空间可以说是最常用、最平凡的概念了。可是，若问：
究竟什么是时间，什么是空间？却又不容易找到恰当的答
案。是的，这是两个很难回答的问题。尽管有不少人都曾给
时空下过这样或那样的定义。不过，很少是能令人十分满意
的。
在讨论物理学问题的时候，一种正确的方法可能并不是
从概念的“严格”定义出发，而是从分析各种概念之间的具体
关系入手。因此，对于时间和空间这两个基本概念来说，重要
的问题并不在于它们的“纯粹”定义，而是它们之间的关系，以
及它们与物质运动的种种联系。
还是用上面那句话作为例子。“早上八点”这个时间是以
你手上的表或家里的钟作为标准的。更正确地说，是采用北
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京时间。显然，这个表述是相对的，如果东京时间，它就是九
点，而不是八点。这就是时间表述上的一种相对性，也就是时
间的一种属性。
京时间。显然，这个表述是相对的，如果东京时间，它就是九
点，而不是八点。这就是时间表述上的一种相对性，也就是时
间的一种属性。
所谓时空观，就是有关时间和空间的物理性质的认识。
时空观同自然科学的发展是密切相关的。科学上的重大变革
往往伴随着新时空观的产生。甚至，在一定意义下可以反过
来说，时空观的变革才是科学上大变革的基本标志。因此，如
果我们要想了解在人类的认识史上从亚里士多德到牛顿，又
从牛顿到爱因斯坦几次重大的进展，我们首先就应当了解他
们各自的时空观。
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亚里士多德的宇宙中心
亚里士多德的宇宙中心
时“习惯”的想法会认为：那些居住在我们的对蹠点上的人不
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是早就“掉下”去了吗？可见，树立球形的地球观念需要克服相
当大的成见所带来的阻力。从时空观的角度来评价，可以说，
亚里士多德的时空观是把“上”和“下”这两个方向相对化了。
我们看对蹠点的人在“下”，对蹠点的人看我们也是在“下”。也
就是空间各个方向是等价的，没有一个方向是具有特别的绝
对优越的性质。这就是空间方向上的相对性，提出这个观念，
是人类走向科学时空观的重要一步。
是早就“掉下”去了吗？可见，树立球形的地球观念需要克服相
当大的成见所带来的阻力。从时空观的角度来评价，可以说，
亚里士多德的时空观是把“上”和“下”这两个方向相对化了。
我们看对蹠点的人在“下”，对蹠点的人看我们也是在“下”。也
就是空间各个方向是等价的，没有一个方向是具有特别的绝
对优越的性质。这就是空间方向上的相对性，提出这个观念，
是人类走向科学时空观的重要一步。
·4·
牛顿时空观中的相对与绝对
牛顿时空观中的相对与绝对
以哥白尼—伽利略—牛顿为代表的新科学，在时空观上
的特征就是否定了亚里士多德体系中空间位置的绝对意义。
哥白尼否定了地球中心是整个宇宙中心这种绝对的意义。伽
利略直接了当地提出了相对性原理（在第四章中还要加以详
细讨论）。牛顿则打破了“月上”和“月下”的界限，发现苹果落
地和月亮绕地球运行是由同一个原因引起的，而并不是由于
它们要回到自己的“天然位置”上去。因而，在牛顿的力学方
程中没有宇宙中心的地位，任何时空点都是平等的。相对于
任何时空点来计算，物理规律都是一样的。这就是新时空观
中的新相对性。
然而，路总是一步一步走的，牛顿尽管站在了亚里士多德
的肩上。但是在他的力学中仍然引入了绝对静止的空间和绝
对不变的时间这两个概念。在《自然哲学的数学原理》一书
中，牛顿写道：“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况
无关，始终保持着相似和不变。
”“绝对的、纯粹的数学的时间，
就其本身和本性来说，均匀地流逝而与任何外在的情况无
关。”总之，在牛顿的时空观中，空间、时间和“外在的情况”这
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三者都是相互独立的，无关的，空间的延伸和时间的流逝都是
绝对的。在这种意义上可以说，在牛顿的体系中仍然含有亚
里士多德式的绝对。
三者都是相互独立的，无关的，空间的延伸和时间的流逝都是
绝对的。在这种意义上可以说，在牛顿的体系中仍然含有亚
里士多德式的绝对。
出
26×20×10等等尺寸，之
所以能这样标出，就是以容积是箱子的不受“外在的情况”影
响的本性这一点为依据的。进一步我们设想箱子无限地扩
大，这就得到了一个与任何特殊的物质无关的、绝对的空间。
它就是牛顿的绝对空间。
牛顿是一个经验论者，他不能容忍在他的体系中存在先
验的观念。他认为，物理的实在必须是能被感知的。那么，如
何来感知他所规定的“绝对空间”呢？牛顿设计了一个理想实
验，用来判断哪些运动是相对于绝对空间的绝对运动。这就
是著名的水桶实验。若有一桶水，让它做旋转运动。开始时
桶壁旋转而水不运动，水与桶壁之间虽有相对运动，但水面却
和静止时是一样的，是一个平面。以后水逐渐被桶壁带动并
且和桶壁一起旋转，此时虽然水与桶壁之间并没有相对运动，
但水面呈凹形，桶边的水面略高，中间略低。因此，即使在水