牛顿三大定律和广义相对论（牛顿绝对时空观）
牛顿三大定律和广义相对论（牛顿绝对时空观）时空观是物理理论的基石，也是自然科学的基石，因为存在的一切都发生在一定的时间和空间之中。从亚里士多德、伽利略、牛顿[1]到爱因斯坦[2]，每一个伟大的物理学家都对时间和空间是什么做过回答，但他们的答案还不是最终答案。以上四位伟人对时空的答案，有一个共同点，就是时间和空间只有一种，但以笛卡尔的“物质空间”思想[3 4 14]为基础的时空观中，时间和空间可分成两种，一种是“虚空”中的时间和空间，即“牛顿的绝对时间和空间”，另一种是“物质空间”中的时间和空间，即“爱因斯坦的相对时间和空间”，前一种时间和空间无关，后一种时间和空间相关，所以在“物质空间时空观”中可以很清楚地看到牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对时空观之间的关系，下面我们对三种不同的时空观展开讨论。 1. 引言
摘要：时空观是物理理论的基石，也是自然科学的基石，因为存在的一切都发生在一定的时间和空间之中。从亚里士多德、伽利略、牛顿到爱因斯坦，每一个伟大的物理学家都对时间和空间是什么做过回答，但这些答案还不是最终答案。本文分析了历史上存在的各种时空观，从笛卡尔的“物质空间”思想出发重新审视了时间和空间的关系，提出了一种新的时空观：物质空间时空观。并通过实验说明不同“物质空间”中时间是不同的，从而获得了绝对时空观、相对时空观和物质空间时空观之间的关系。
关键词：绝对时空观；相对时空观；物质空间时空观；虚空；物质空间
中图分类号：O412 文献标识码：A
1. 引言
时空观是物理理论的基石，也是自然科学的基石，因为存在的一切都发生在一定的时间和空间之中。从亚里士多德、伽利略、牛顿[1]到爱因斯坦[2]，每一个伟大的物理学家都对时间和空间是什么做过回答，但他们的答案还不是最终答案。以上四位伟人对时空的答案，有一个共同点，就是时间和空间只有一种，但以笛卡尔的“物质空间”思想[3 4 14]为基础的时空观中，时间和空间可分成两种，一种是“虚空”中的时间和空间，即“牛顿的绝对时间和空间”，另一种是“物质空间”中的时间和空间，即“爱因斯坦的相对时间和空间”，前一种时间和空间无关，后一种时间和空间相关，所以在“物质空间时空观”中可以很清楚地看到牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对时空观之间的关系，下面我们对三种不同的时空观展开讨论。
2. 虚空和物质空间
牛顿在“原理”[1]中阐述的绝对空间是：“绝对空间就其自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，永不移动”。牛顿的绝对空间有如下几层含义，（1）绝对空间是真实感知空间的抽象；我们可以设想一个玻璃围成的正方体，假设这个玻璃正方体相对绝对空间静止，将玻璃正方体中的所有物质抽去（包括引力场），并让玻璃壁变得无限薄，并最终消失，这样得到的玻璃正方体围成的空间，就是绝对空间。绝对空间与任何外在事物无关，永远静止；（2）物体相对于绝对空间的运动为绝对运动，牛顿认为绝对运动可用旋转水桶中水面是平面和凹面判断，如果水面是平面则水相对绝对空间没有转动，如果水面是凹面则水相对绝对空间有转动，即只有相对绝对空间的加速运动才产生惯性力，通过惯性力的有无可判断物体相对绝对空间是否加速，并证明绝对空间的存在；（3）相对绝对空间静止或匀速运动的坐标系为惯性系，牛顿力学定律成立；（4）绝对空间中“一无所有”，所以绝对空间是“虚空”。
虽然相对“绝对空间”加速与不加速可以通过惯性力的有无实验判别，但牛顿绝对空间的最大困难是（根据相对性原理）：无法通过实验判别物体相对绝对空间是静止还是匀速运动，这正是相对论要讨论的问题（相对论的观点：不存在绝对运动，任何运动都是相对的）。为了后面讨论时空观，我们专门讨论“虚空”和“物质空间”的区别和联系。“虚空”就是“一无所有的空间”（引力场也没有，因为引力场本质上也是一种物质），在物理上有时用“无限远空间”表示，牛顿和爱因斯坦都用过远离所有物质的无限远空间作“思想实验中的空间”，因为那里才有真正的惯性系。
“虚空”是否存在是个哲学问题，它和“物质是否无限可分”的哲学思想关联。关于物质是否无限可分，历史上有两种不同的哲学思想，（1）以亚里士多德为代表[7]，认为物质无限可分；（2）以德谟克里特为代表[9]，认为物质不是无限可分的，存在最小的不可分粒子，称为“原子”。如果“原子”存在，那么两个原子之间的空间就是“虚空”，所以“原子论”与存在“虚空”是一致的；另一方面，如果物质无限可分，那么就不存在原子，物质就是连续的，空间和物质无法分离，所以物质无限可分的哲学思想，必然导致“物质空间”的思想。历史上最明确地把“物质空间”思想表达出来的是笛卡尔，笛卡尔坚持认为，一无所有的空间不存在，存在的空间一定包含物质[5]，即为“物质空间”。并且笛卡尔还以此提出了“物质空间宇宙模型”（如图1）：
图1 笛卡尔宇宙模型（空间物质充满真空和整个宇宙）
图中S表示太阳所在的位置，真空中充满了空间物质，它们围绕太阳形成漩涡，这种漩涡导致了太阳系的形成，宇宙中所有恒星都是一个个漩涡中心。笛卡尔的宇宙模型有一个最大的优点，它可以说明太阳系的历史演化，这是牛顿力学做不到的，牛顿能做的只能是假设“上帝的第一次推动”。
如果用现代科学来回答物质到底是否无限可分，最佳答案是：物质只能是相对无限可分。即：物质是分层次的，层次越高，越难分离，就化学反应而言原子是不可分的，但就核反应而言原子是可分的，任何层次的物质都是可分的，但越往后越难分离。
有了以上的铺垫，就可给“理想物质空间”下一个定义：充满无限小连续物质的空间为“理想物质空间”。
真实的物质空间是：连续的物质占据的空间，如：空气、水、真空等，它们是“理想物质空间”的近似，就像理想气体和真实气体的关系一样。
定义中的真实物质空间中的连续是相对的，真实的自然不存在“无限小连续的物质”，所有的物质都有微观结构，也就是任何层次的物质都是可分的，但存在“相对的连续物质”，例如：对鱼而言，水就是它们生存其中的“物质空间”，对人而言，空气就是人生存其中的“物质空间”，对恒星而言，真空就是它们运动其中的“物质空间”，物质空间思想强调所有空间中都存在物质，任何物体都在物质空间中运动。
物质空间具有层次结构（注：笛卡尔哲学思想中没有这个概念，物质空间的层次思想是根据现代科学证据提出的一个假设），“空间物质”由稠密到稀薄，从低级到高级递进。最稠密的空间是宇宙爆炸时（或黑洞内的）的“奇点”，最稀薄的空间是一无所有的空间，即“无空间”（虚空），“奇点”和“无空间”为极限空间，一般稀薄的空间物质包围稠密的空间物质，物质空间层次结构如图2所示。
图2 物质空间层次结构模型
简单地讲，“虚空”就是一无所有的空间，它作为极限空间而存在，“物质空间”就是含有物质的空间，它包含我们周围可感知的空间。
历史上曾流行过“以太”概念，后来被狭义相对论否定了，那么“物质空间”概念和“以太”概念的区别是什么？
“物质空间”来源于笛卡尔“一无所有的空间”不存在的哲学思想，爱因斯坦也认为笛卡尔是正确的[6]。广义相对论的推理是：物质决定空间的弯曲，空间决定物质的运动。爱因斯坦曾表示：相对论转了一大圈只是证明笛卡尔的思想是正确的，即“一无所有的空间不存在”。如果将“一无所有的空间不存在，存在的空间中都存在物质”作为公理，那么这一公理可称为：笛卡尔-爱因斯坦公理。这个公理的正确性依据之一是“物质空间层次模型和高维空间模型在数学上等价”[10]，所以“物质空间层次模型”可以作为“高维空间”的物理模型，物质空间层次模型的最大优点是可以直观想象。
“以太”的概念是为了说明某些物理现象（如光或电磁波）的性质而引入的假想物质，“以太”概念的关键是它的性质，至于它到底是什么，一直没有搞清楚，真空中的物质很多，现在知道的有：宇宙背景辐射、引力场、宇宙射线、电磁波、星际物质、暗物质、暗能量等等，“以太”到底是什么物质组成的没有明确的概念。“物质空间”概念则强调空间中的物质存在，强调物质和空间不可分离，强调所有的物体运动均在一定的“物质空间”中进行。没有空间中的物质存在，就不可能发生运动物体和空间的相互作用，相对论就不可能成立，所以“物质空间”概念是明确的，可感知的，可物理测量的。海洋、大气、真空都是具体的物质空间，鱼在水中可感知水的存在，人在空气中行走可感知空气的存在，同理当物体在真空中以接近光速运动时，同样可感受到真空中的物质存在。可以得出这样的一条规律：“在越稀薄的物质空间中越需要高速运动才能感受到物质和空间的相互作用”。蜗牛的运动是不需要考虑空气的存在的，所以在低速情况下，牛顿力学可以很好地说明天体的运动，但高速时，真空的物质性就体现出来了，必须用相对论才能正确地描述天体的运动。
爱因斯坦曾引入“广义相对论以太”的概念，想用“广义相对论以太”说明空间的物质性。引入广义相对论以太的基本思路是：物质和能量的分布决定了空间的“弯曲”程度，一无所有的空间是谈不上“弯曲”的，所以不存在 空间的弯曲必然是某种客观存在的弯曲 这种客观存在就是“广义相对论以太”。在爱因斯坦的广义相对论中电磁场是作为实体物质的一部分考虑的[8]，但引力场和空间是不可分割的，而引力场有能量，所以一定是一种物质存在。另一条理解爱因斯坦思想的思路是：牛顿力学和相对论的本质区别是，运动物体和空间能否发生相互作用？牛顿力学认为，运动物体和空间是不会发生相互作用的，相对论认为运动物体和空间是会发生相互作用的。推理：如果空间一无所有 就不会发生运动物体和空间的相互作用 如果物体和空间可以发生相互作用，空间中一定存在某种客体 即“广义相对论以太”。
综上所述，“物质空间”概念和“以太”概念是不同的，最大区别是：物质空间思想强调空间中的物质存在，强调空间和物质的不可分割性，强调空间的“层次思想”，以太概念则不强调这些理念也没有层次思想，从来没有人将空气看成是以太，而水、空气、真空是最典型的物质空间。爱因斯坦的“广义相对论以太”概念是以引力场作为空间不可分割的一部分，引力场具有能量，也是一种物质，所以爱因斯坦的思想更接近“物质空间”思想。由于“物质空间”只强调“一无所有空间”不存在，对空间的性质不强加规定，这样就避免了“机械以太”的种种矛盾。
3. 绝对时间和相对时间
牛顿在“原理”一书中阐述的绝对时间是：“绝对的、真实的和数学的时间，由其特性决定，自身均匀地流逝，与一切外在事物无关”。牛顿的绝对时间有如下几层含义：（1）时间是均匀流逝的，即：时间流逝的快慢是永远不变的，并与其他事物无关，特别是与空间无关；（2）时间是无始无终的，任何一个确定的时间点之前和之后一定还存在时间[17]；（3）一只具体的时钟的误差，不是由时间本身产生的，而是由具体的计时方法和装置产生的。只要定义理想的标准钟，那么所有的标准钟都是走得一样快的；（4）所有的标准钟一经对准，无论在何时何地都是同步的。
关于爱因斯坦的相对论时间概念的由来，必须从相对论理论的建立谈起。历史上构造物理理论的方法大体上可分成两种：模型构造法（Constructive-Theory）和公理构造法（Principle-Theory）。模型构造法中将研究涉及的对象建立具体的物理模型，然后对模型中的物理量，根据实验建立定律，由定律组（方程组）形成理论体系。牛顿起初建立的是“质点力学”[12]，他所使用的模型有：绝对时间、绝对空间、质点等。公理构造法，爱因斯坦又称为“原理理论”[13]，是类比欧几里得几何理论的建构方法。这种方法首先建立几条公理，然后运用逻辑推理的方法，建构起整个理论体系，相对论就是这样建立起来的。这两种物理理论的建构方法的特点是：模型法比较直观，易于联想；公理法理论深刻，具有数学推演能力。实践证明这两种方法都是成功的方法，各有优缺点，有时可以同时运用并相互补充。
相对论时空观是在狭义相对论中建立起来并在广义相对论中得到完善的[15]，狭义相对论的两条公理是：狭义相对性原理和光速不变原理。如果要满足这两条公理，则牛顿的绝对时间概念必须改变。爱因斯坦在1905年的第一篇关于相对论的论文中阐述了相对论的时间概念[16]，其要点是：（1）以不同速度匀速运动的惯性系中的标准钟的快慢是不同的；（2）在同一地点校准过的标准钟，可以不同步，与标准钟所在的惯性系和地点有关，也就是同时性不是绝对的；（3）时间是空间相关的，如果考虑空间中存在引力，时间快慢不但可以不均匀，而且可以有始有终[18]；（4）这种相对论时钟的快慢变化与具体时钟的计时误差无关，是物理时空本身造成的。
特别要注意的是：相对论的时间概念，是逻辑推理的结果，它以光速不变为逻辑起点，得出时间速率可变的结论，它和直觉并不关联，所以是较难理解的。也就是说它不告诉你“动钟变慢”的物理原因是什么，只告诉你这是公理的逻辑结果，并且由此建立的物理理论在一定适用范围内是自洽的，其正确性由理论预言的事实与观测实验结果的吻合来证明。
至此我们就给出了绝对时间和相对时间的概念，两者最显著区别是：时间的空间相关性。牛顿的绝对时间是空间无关的，爱因斯坦的相对时间是空间相关的。相对论的推理结果是：在无引力场的惯性坐标系中时空不再独立；在有引力场的任意坐标系中，时空不再均匀。根据等效原理，任一点可以找到一个局域惯性系，在其中狭义相对论成立，但不同点局域惯性系不同，所以时间速率不同，与空间坐标相关，所以时空不再均匀。爱因斯坦的时空概念，因为不涉及为什么是这样的物理原因，所以表面上，牛顿时空概念和爱因斯坦时空概念是无关的，使用了爱因斯坦时空概念好像就必须排斥牛顿时空概念，后面我们将会看到，如果用“物质空间”思想去重新审视时空观，两者存在着一定的内在关系。
4. 绝对时间和相对时间的关系
时间概念是原始概念，所有原始概念都只能与直觉经验相关，因为不可能通过其他概念来理解原始概念。下面首先分析一下，牛顿和爱因斯坦的时间直觉是如何得到的？时间概念的直觉来之周而复始的自然现象的前后出现的顺序。顺序在前叫早，顺序在后叫晚，时间的长短，用周而复始现象的次数计量。如秒针滴答一次为一秒，白昼和黑夜交替一次为一天，没有其他途径可以获得关于时间的直觉（非周期运动也可以获得时间直觉，但也是在与更小的周期运动的比较中获得时间长短的直觉的）。牛顿的绝对时间就是对直觉时间抽象后用人类的理智定义的时间，这又叫做形而上学，也就是用理性思考后对时间下定义。爱因斯坦的相对时间是逻辑结果，或者说爱因斯坦对时间的理解来源于逻辑的推理。这就是牛顿和爱因斯坦得到时间概念的方法。
那么是形而上学方法靠得住，还是逻辑推理方法靠得住。它们两者都有成功的一面，也有缺陷。为了最后得到统一的时空观，本文采用了第三种方法：“操作定义”法。为什么采用这种方法？历史上马赫[11]曾对牛顿力学的几乎所有基本概念进行了批判，马赫认为，牛顿使用形而上学的方法定义了诸如：绝对时间、绝对空间、质量等基本物理概念，但形而上学方法的致命弱点是不唯一。马赫认为最可靠的是直觉经验，所以离经验最近的定义是最靠得住的，相比较而言“操作定义”是离经验最近的，所以我们用这种方法来定义时间。
所有的时间都是用实际存在的钟测量得到的，每个实际存在的钟都有误差，技术的进步可以使误差减小，定义：误差无限小的钟为“标准钟”。
时间的操作定义：“标准钟记录的数据”就是时间。
说明几点：（1）这个定义与牛顿的形而上学定义和爱因斯坦的逻辑推理定义完全不同；（2）真实存在的钟都有误差，“标准钟”是真实存在钟的误差无限小的极限情况，“标准钟”记录的时间就是“操作定义”规定的时间；（3）任何具体的钟都必须通过某种物质的稳定周期运动来计时（如：机械周期运动、电磁周期运动），没有例外；（4）任何钟的计时都必然在一定的“空间”中进行，必和“空间”发生相互作用，作用的强弱将影响时钟的快慢，这就是动钟变慢的原因。
相对论因为是公理体系，所以对“动钟变慢”等相对论效应的原因不加阐述，认为是推理的结果，引入了“物质空间”思想后，可以解释产生相对论效应的原因。下面用一个实验说明不同“物质空间”中的标准钟记录的时间是不同的。
将两只由游丝机械周期振动计时的相同的机械裸钟，对准时间后，一只放在空气中，一只放在可抽真空的罩子中，抽真空后，经过一段时间，比较两钟的时间，可以发现放在抽真空中的机械钟走得快。原因是作计时用的机械周期运动的物质和物质空间发生的相互作用不同引起的。
现代的原子钟靠电磁波的周期运动记录时间，电磁波的周期振荡也同样会和“真空空间物质”相互作用，所以当原子钟在真空介质中运动或在非均匀引力场中时，“时钟速率”也会不同，这和上面机械钟走慢的道理完全一样，即：计时周期运动物质会和空间发生相互作用，这种相互作用的强弱会导致时钟速率快慢的不同。
爱因斯坦的相对时间，就是“物质空间”中的时间，根据时间的操作定义，相对时间一定是空间相关的；当“物质空间”中的“空间物质”密度无限小时，就变成了“虚空”，这时的“相对时间”就变成了“绝对时间”，显然绝对时间是空间无关的。这就是绝对时间和相对时间的关系。简言之：绝对时间是虚空中标准钟记录的时间，相对时间是物质空间中标准钟记录的时间。
举例：黑洞中的时间可看成是相对时间，我们的本地时间相对于黑洞可看成是近似的绝对时间，黑洞中的钟无限慢，时间是停止的，但我们的时间还在走，并不会因为宇宙中某个黑洞中的钟不走了，我们的时间也不走了。黑洞是极端情况，一般的计时运动物质和空间的作用强度是确定的，所以所有的相对时间和绝对时间之间必然存在着一一对应关系，这种关系是时间有意义的保证，也是应用系统GPS建立的基本原理之一，如果时间不能比较，那时间就失去了意义，靠时间差定位的GPS系统也就不可能存在。
又如，根据霍金的黑洞蒸发理论，我们看黑洞是有寿命的，并可对黑洞寿命计时，但黑洞中的钟“停走了”，根本不知道自己的寿命有多久，黑洞爆炸是它的时间起点。以此类比，宇宙大爆炸奇点处钟也“停走了”，相对于奇点内而言时间有开端，但奇点外的时间则没有开端。
5. 物质空间时空观
至此我们有了三种时空观：（1）牛顿绝对时空观[1 11]；（2）爱因斯坦相对时空观[2]；（3）物质空间时空观。第一第二种时空观一般教科书中都有介绍，第三种时空观是依据笛卡尔的“物质空间”思想[4 10]提出的时空观，这种时空观可以建立牛顿和爱因斯坦的时空观之间的联系，下面进行讨论。
物质空间时空观的要点是：（1）“空间观”是笛卡尔的“物质空间”思想，即：一无所有的空间不存在，存在的空间中都存在物质；不占有空间的物质不存在，所有的物质都占有空间，空间和物质是不可分割的；（2）“物质空间”是分层次的，最稠密的物质空间是“奇点空间”，最稀疏的物质空间是“无空间”，我们周围能看到的物质空间有：水空间、空气空间、真空空间，鱼在水空间中，人在空气空间中，星系在真空空间中；（3）“时间观”由“操作定义时间”给出，标准钟记录的时间就是操作定义时间；（4）不同物质空间中有不同的时间速率，取决于标准钟与物质空间的相互作用强度；（5）爱因斯坦的相对时间是物质空间中的时间，牛顿的绝对时间是虚空中的时间，相对时间空间相关，绝对时间空间无关，当空间物质密度无限小时，物质空间变成虚空，相对时间变成绝对时间；（6）计时运动物质和空间的相互作用强度是确定的，引起的时钟变慢也是确定的，所以所有的相对时间和绝对时间之间存在一一对应关系，所有的时钟，理论上都可以通过修正达到同步；（7）所有的相对论效应产生的原因是物质和空间的相互作用结果；（8）相对论是描述“物体在物质空间中运动规律”的正确理论之一，另外还有如：杨新铁教授的《相对论的空气动力学类比研究方法》等，所有这些理论中爱因斯坦相对论是“最简理论”，它是完全数学对称理论。
说明：第（1）-（4）是物质空间的空间观和时间观；第（5）点给出了牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对时空观的关系，两种时空观在“物质空间时空观”中显示了它们之间的联系；第（6）点为GPS定位系统的理论基础之一。
第（7）点举例如下：从笛卡尔的物质空间宇宙模型图中（图1），我们可以定性地解释几乎所有的相对论效应。如：a）光经过太阳附近时会弯曲，因为太阳的引力作用，导致时空弯曲，物质和空间是不可分离的，所以太阳附近的真空空间物质不均匀，越靠近太阳密度越大，光经过太阳会被空间物质折射，所以光线经过太阳时会弯曲；b）行星绕太阳沿椭圆轨道运行，运行过程中必和真空空间物质发生作用，真空空间物质会以波的形式带走一部分能量，也就是行星转动会发射引力波。当脉冲双星系统引力场强极大，旋转速度极快时，引力波效应可被测量，这就是1993年的诺贝尔获奖项目；c）行星沿椭圆轨道运动，因为空间是非欧的，所以在近日点和远日点上，行星与空间物质的作用大小也不同，近日点相互作用大，远日点相互的作用小，这种不对称会导致行星椭圆轨道沿旋转方向上的长轴进动，水星因为靠近太阳，空间畸变较大进动效应也较大，每世纪有43’’的角度转动，这个现象在相对论出现之前就被观测到，并且是爱因斯坦广义相对论第一个解释的现象[18]，这里我们用行星和空间的相互作用定性地解释了现象。其他的相对论效应也可以得到类似的定性解释，关键是这些解释每个初中生都能听懂，引入了“物质空间”概念后可以使相对论从抽象回归直觉。
第（8）点，引入笛卡尔的“物质空间”思想后，给相对论研究打开了一扇门，仔细的研究可以发现相对论是对“物体在物质空间中运动规律”的一种数学对称的近似描述（在真空中近似程度极好），但真实自然是非完全对称的，所以相对论有适用条件，关于相对论的适用条件以前没有人研究过，原因是没有合适的方法和途径，这里可以找到方法和途径；据此“超光速的条件”问题也迎刃而解了，由于“相对论的适用条件”和“超光速的条件”不是本文的主题，所以留另文叙述。
6. 宇宙观
与物质空间时空观相对应的宇宙观是：“总星系局爆宇宙学”，如果宇宙有演化过程，就要讨论如何演化的问题？局爆是指宇宙中局部宇宙物质的爆炸，宇宙演化与局爆相关。现代宇宙观测已经证明，恒星会爆炸。如果没有恒星的局爆，也就没有你我，因为碳元素等高原子量的原子核是在恒星局爆中产生的。有三个层次的局爆可以讨论：（1）恒星局爆；（2）星系局爆；（3）总星系局爆。恒星局爆已是观测事实；大爆炸宇宙学及相关的观测事实也已证明，我们目前的可观测宇宙（总星系）来源于一次大爆炸，但大爆炸宇宙学认为：大爆炸炸出了宇宙中的所有物质，而总星系局爆理论认为：大爆炸只是无数总星系局爆中的普通一次；星系局爆的可能性不大，因为如果星系来源于局爆，那么应该看到组成星系的恒
