第八节  绝对参考系问题

一、牛顿的绝对和相对时空观

牛顿指出： “绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”；“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地，与任何其它外界事物无关地流逝着。它可以名之为期间”。这就是牛顿的绝对时空观。

牛顿还指出：“相对空间是绝对空间的可动部分或者量度。我们的感官通过绝对空间对其它物体的位置而确定它，并且通常把它当作不动的空间看待。如相对地球而言的地下、大气或天体等空间都是这样来确定的” ；“相对的、表观的和通常的时间，是期间的一种可感觉的、外部的，或者是精确的，或者是变化着的量度。人们通常就用这种量度，如小时、日、月、年，代表真正的时间。”这就是牛顿的相对时空观。

牛顿的绝对时空概念，只是牛顿对时空的一种数学抽象，这从“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，”可以十分明显地看出。其中‘数学’二字表明牛顿怕别人误解而特意指明绝对时间是一种数学的抽象。

牛顿的相对时空概念，是整个牛顿力学体系中的不可分割的组成部分。从牛顿力学的基本定律和概念出发，就一定要求有一个相对的实际可用的时空概念。物体的位置移动，就要求空间“空”；物体的静止，就要求空间保持相对的 “不动”；物体的匀速运动，就要求空间 “平直”、“均匀”；而且还要求时间相对的均匀，没有太明显的快慢节奏。反过来，只有相对时间和空间概念才能保证牛顿力学规律的有效性和可操作性。

在牛顿的力学定律（包括惯性定律）的表达里没有明确指明，所谓“静止”、“匀速直线运动”和“运动状态的改变”是对什么参考物体而言的，只要具体情况具体指定就可以。在牛顿力学中“力”是物体间的相互作用，这是与参考物体有关的，运动状态及其改变的参考物体就是原参考物体。牛顿完全了解自己理论中存在有一些薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准——绝对或相对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态。牛顿承认，区分特定物体的绝对运动（即相对于绝对空间的运动）和相对运动，也非易事。不过，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。

　　“水桶实验”是牛顿提出的著名的实验。实验的大意如下：一个盛水的桶挂在有条扭得很紧的绳子上，然后放手，于是如图所示：

    （1）开始时，涌旋转得很快，但水几乎静止不动。在粘滞力经过足够的时间使它旋转起来之前，水面是平的，完全与水桶转动前一样。

    （2）水和桶一起旋转，水面变成凹的抛物面。

    （3）突然使桶停止旋转，但桶内的水还在转动，水面仍然保持凹的抛物面。

    牛顿就此分析道，在第（1）、（3）阶段里，水和桶都有相对运动，而在前者水是平的，后者水面凹下；在（2）、（3）阶段里，无论水和桶有无相对运动，水面都是凹下的。牛顿由此得到结论，桶和水的相对运动不是水面凹下的原因。这个现象的根本原因是水在空间里绝对运动的加速度。这一解释当然是有问题的。水面凹下的原因是因为水受到力，而在牛顿力学里力是没有定义的。那自然就说不清水面为什么会凹下了。

    绝对空间在哪里？牛顿曾经设想，在恒星所在的遥远的地方，或许在它们之外更遥远的地方。他提出假设，宇宙的中心是不动的，这就是他所想象的绝对空间。从现今的观点来看，牛顿的宇宙的中心是不对的，因为宇宙没有中心。不过，牛顿当时清楚地意识到，要想给惯性原理以一个确切的意义，那就必须把空间作为独立于物体惯性行为之外的原因引进来。爱因斯坦认为，牛顿引入绝对空间，对于建立他的力学体系是必要的，这是在那个时代“一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路”。其实，爱因斯坦的这种想法也是没有道理的，牛顿之所以这样作，和爱因斯坦一样没有弄清力的本质。如果牛顿真正弄清了力的本质，就不必把空间作为独立于物体惯性行为之外的原因引进来了。

    当代的物理教科书在讲牛顿力学时，为避免“绝对空间”的提法，都采用“惯性参考系”的概念。据考证，这想法是德国物理学家朗格（L.Lange）提出的。在牛顿力学的框架中，给惯性系下的定义是惯性定律在其中成立的一类参考系，即在此类参考系中，一个不受外力作用的物体总是作匀速直线运动的。若要再问，怎样知道一个物体没有受到外力呢？

在一个参考系中，只要某个物体符合惯性定律，则惯性定律将对其它物体成立。我们把惯性参考系定义为“对某一特定物体惯性定律成立的参考系”，从这里我们再次看到，惯性不是个别物体的性质，而是参考系，或者说，时空的性质。用“惯性参考系”替代“绝对空间”，只是回避了牛顿力学的困难，但是并没有真正解决问题。

　　这样，在牛顿力学的框架里，我们必须严格地区分“惯性”和“非惯性”两类参考系，在惯性参考系内，惯性定律和其它牛顿力学定律成立；在非惯性参考系内，牛顿三定律不成立。在所有惯性参考系之间，伽利略相对性原理成立，从而它们都是平权的。在非惯性参考系内则会出现一些“反常”现象。

同样地，这些“反常”现象也是人们至今没有弄清力的本质的缘故，如果人们真正弄清了力的本质，就不必严格地区分“惯性”和“非惯性”两类参考系。关于力的本质问题在第二章中会详细论述。

二、马赫的批判

但是，绝对时间和绝对空间毕竟是人为的抽象，经不起实践的检验和严密的审查。二百多年来，引起过不少人的怀疑和争议。到了 19世纪末，奥地利物理学家马赫（Ernst Mach， 1838—1916）在他的《力学史评》中深刻地分析了牛顿力学的基本概念以及由其反映的机械自然观，作出了深入的批判。例如：马赫不同意把惯性看成是物体固有的性质，认为在一个孤立的空间里谈论物体的惯性是毫无意义的，提出惯性来源于宇宙间物质的相互作用。他针对牛顿的绝对时间和绝对空间，驳斥道：

“我们不应该忘记，世界上的一切事物都是互相联系、互相依赖的，我们本身和我们所有的思想也是自然界的一部分。”“绝对时间是一种无用的形而上学概念”，“它既无实践价值，也无科学价值，没有一个人能提出证据说明他知晓有关绝对时间的任何东西。”马赫还指出，绝对运动的概念也是站不住脚的。他写道：

“牛顿旋转水桶的实验只是告诉我们，水对桶壁的相对转动并不引起显著的离心力，而这离心力是由水对地球的质量和其他天体的相对转动所产生的。如果桶壁愈来愈厚，愈来愈重，最后达到好几海里厚时，那时就没有人能说这实验会得出什么样的结果。”

1883年，马赫在《力学的科学》一书的第二章第6、7节《牛顿关于时间、空间和运动的观点》中写道：“没有必要在这里提出的回顾中来评论牛顿，说他的行动又一次与他所提出来的只研究实在的事实的意图相矛盾。

谁也没有资格预言有关绝对空间和绝对运动的事情，它们是纯粹思维的东西，是纯粹思维的产物。经验不可能产生它们。我们的力学原理，就象我们详细讲述的那样，是关于物体相对位置和运动的试验知识，即使它们现在在一些领域内被人们认为是有效的，但它们不会，也从来没有不经过实验检验就被接受的。任何人都没有理由把这些原理扩展到经验范围之外。事实上，这种扩展是无意义的，因为没有人具有必要的知识去利用它。”

马赫在《发展中的力学》一书中写道：“如果我们说一个物体K只能由于另一物体K′的作用而改变它的方向和速度，那么，当我们用以判断物体K的运动的其它物体A、B、C……都不存在的时候，我们就根本得不到这样的认识。因此，我们实际上只认识到物体同A、B、C……的一种关系。如果我们现在突然想忽略A、B、C……，而要谈物体K在绝对空间中的行为，那么我们就要犯双重错误。首先，在A、B、C……不存在的情况下，我们就不能知道物体K将怎样行动；其次，我们因此也就没有任何方法可以用以判断物体K的行为，并用以验证我们的论断。这样的论断因而也就没有任何自然科学的意义。”就是这样，马赫揭示出抛开一些物体(A、B、C……)用所谓绝对空间来描述运动是不可能的。绝对空间是缺乏自然科学的意义的。根据这种观点，马赫认为牛顿水桶中水面的形式，并不反映水桶是否相对于绝对空间有转动，而是反映水桶相对于地球和其它天体是否有转动。水面变凹，并不是由于绝对转动引起的，而是由于宇宙间各种物质相对于它们转动的水桶的作用结果。无论是水桶相对于宇宙间物质进行转动，或者是宇宙间物质相对于水桶在转动，二者结果是一样的，因为水面都会同样地变凹。因此，水面变凹仅仅能证明水桶与宇宙间其它物质(A、B、C……)之间有相对转动，而不能证明绝对空间的存在。马赫对水桶实验的分析，表现出他不仅把匀速运动看成是相对的(没有一个相对于绝对空间的绝对速度存在)，而且把加速运动也看成是相对的(没有一个相对于绝对空间的绝对加速度存在)。

马赫的批判存在着三个问题。其一，牛顿很清楚绝对空间和绝对时间是纯粹思维的东西，是纯粹思维的产物。因为牛顿把书取名为《自然哲学之数学原理》，绝对空间和绝对时间当然也是数学抽象了。而且他直截了断地把绝对时间称为数学时间；其二，牛顿不仅有绝对空间和绝对时间的概念，而且也有相对空间和相对时间的概念。牛顿的相对空间和相对时间的概念和我们实际上的时间和空间的概念没有什么根本区别，很清楚，牛顿的相对时空是绝对时空的一部分，是对绝对时空的量度，马赫用相对时空去否定绝对时空并不高明；其三，马赫和牛顿一样，并不明白牛顿力学中最根本的问题是力的本质没有解决。如果弄清了力是物体的相互碰撞，我们只要把碰撞迭加到所研究的对象上，碰撞正好相互抵消的就是惯性系，否则就是非惯性系了。因此，自然规律的形式就只同碰撞有关而和坐标系的选择无关，一切参照系具有同等的地位，没有一个参照系处在特别优越的地位，从而根本无法探测到参照系本身的运动，把惯性系、绝对运动、绝对空间真正地驱逐出实验科学的范围。

三、绝对时空观的实际意义

我们知道，在火车上会产生这样一种有趣的景象：顺着火车运动的方向，近处的物体相对于远处物体在倒退，远处的物体则相对于近处物体在前进。也就是说，近处的物体相对于远处物体有一个向后的位移，同样地，如果地球真的在运动，在地球轨道半径两端，就应该看到比较近的恒星相对于比较远的恒星有一个位移。这种现象在天文学上叫做视差位移，也就是地球轨道半径在该恒星处的张角。称为恒星的视差。恒星的视差很小，只有零点几个角秒。一直到十八世纪，终于测出了恒星的视差，证实了地球确实是在绕太阳转动着。这也就是人们测到了地球真的是在绕太阳转动。

     因为人的眼睛所看到的物体的大小与物体和人的距离有关。同一个物体越远看起来就越小。如果物体在无穷远处，物体的大小就退缩成一点，物体运动的任一距离也退缩成一点，不难想象物体运动的速度永远为0，因此，无穷远坐标系就是一个绝对不动的坐标系。其实。天文上的恒星坐标系就是一个近似的绝对坐标系。同样地，我们完全可以把无穷远的天球看成是一个绝对不动的空间——绝对空间。

    同样地，时间的精度也在不断地提高。第一台铯原子钟的发明，使得时钟的误差从摆钟的每天千分之一秒、石英钟的每天万分之一秒，精确到30万年不超过一秒。

在大多数人眼里，一秒钟只不过是时钟“滴答”一下。但是，对于许多实验物理学家来说，看似简单的“滴答”一下却是一个漫长的过程：铯原子在能级跃迁时要振荡9192631770次。相应的一秒钟精度，也就到了小数点后第9位。美国国家标准与技术研究所(NIST)和位于法国巴黎的国际标准局(BIMP)对时间的控制，实际上已经达到1亿年误差不超过1秒钟的水平。

如果采用更高更稳定的可见光频率来计时，与每秒高达10的14次方的光学振动相比，原子的10的9次方振动频率差了5个数量级。而伽玛射线的上限频率目前还未发现。我们以后得到的时间精度会更高。

总而言之，尽管绝对时空并不存在，随着科学技术的不断发展，人们发现的恒星会越来越远，时间精度会越来越高，也就是说，人们正是由相对时空向绝对时空无限靠近。这就是绝对时空的实际意义。