這樣,亞裏士多德就第一個把神靈作為不由他物所推動的第一推動者而引進了物理學,從而也把神靈的作用賦予了時間,因為時間和運動“是相互定義的”。
在中世紀宗教神學崩潰以後,亞裏士多德關於運動、時間以及其他許多問題的錯誤觀點,仍然統治科學界達幾百年之久。
大約到13世紀以後,科學家才比較準確地定義了什麼是速度。他們說,一個物體的運動指它在空間中位置的簡單變化,速度就是在給定的時間裏,物體位置變化了多少。直到今天,我們仍然沿用這種方式來表示速度,即每秒多少米或每小時多少千米。
但是,真正打破亞裏士多德悖論的還是伽利略。
我們在本書中不止一次地提到伽利略。他是一位偉大的天文學家,第一個發明了望遠鏡,擴大了人們的視界,同時他也是一位著名的物理學家。有關他的坎坷一生的記載已被拍成電影搬上銀幕,同千百萬觀眾見麵。
伽利略尖銳地指出:“物體愈重,下落愈快”這一論斷在邏輯上是矛盾的。如果一個重物和一個輕物同時下落,,而把這兩個物體捆在一起,它們下落的時間該是多少?按照亞裏士多德的看法,將會有兩種答案:
重物帶動輕物落得快,輕物影響重物落得慢;
兩物體捆在一起,必重於單個物體,其下落時間必然是這兩個結果相互矛盾。因此,伽利略認為亞裏士多德的論斷不能成立。
據傳,伽利略當時還在比薩斜塔上作過落體實驗,以證明亞裏士多德理論的錯誤。不管這個故事是否真實(科學史家們對此一直持有異議),重要的是,這個天才的意大利人真正測定了運動物體的時間。他在不同長度的斜麵上滾下金屬小球,同時把漏刻滴下的水收集在杯子裏,稱出這些水的重量,從而測定了小球從不同斜麵滾下時所經曆的時間。
伽利略根據這些實驗進一步指出,單有速度——位置隨時間的變化一一不足以定義運動,還必須考慮速度隨時間的變化,這就是加速度。
在這裏,伽利略隻是提出了問題,但沒有做出理論上的發現。加速度概念的建立是後來由牛頓完成的。
牛頓的“絕對時間”觀念
牛頓比伽利略又前進了一步。牛頓認為,同亞裏士多德的“理論”恰恰相反,如果沒有什麼別的東西阻止,運動著的物體決不會靜止。下落的石頭所以會落到地麵不動,是因為受到地球的阻止;馬車所以停下不走,是由於車輪同路麵之間有摩擦力。在一條光滑水平的路麵上,具有無摩擦軸承的馬車,將會一直滾動下去。因此,牛頓指出,力對於物體的作用,隻是使它的運動速度隨時間發生變化。這個變化的量稱為加速度,它正比於作用力的大小。這就是牛頓運動學第二定律。這裏屍為作用力,爪和“分別為受力物體的質量和加速度。
牛頓的運動定律,連同他在1684年導出的萬有引力定律,奠定了經典物理學的基礎,對當時和後來的自然科學的發展都有很大影響,直到今天仍被廣泛應用,繼續發揮著巨大作用。
但是,應該看到,牛頓定律是以這樣的概念為基礎的:用以測量運動的時間是一種均勻流逝的“絕對時間”。
什麼叫絕對時間?牛頓在其1687年發表的《自然哲學的數學原理》一書中給出了如下定義:
“絕對的、真實的數學時間,就其自身及其本質而言,是永遠均勻流動的,它不依賴於任何外界事物。”
牛頓的這種觀點歪曲了時間與運動的關係,在他自己的理論係統內也是自相矛盾的。因為他已經承認運動不是絕對的。既然如此,你怎麼測量或覺察出絕對時間呢?
牛頓爭辯說他能夠做到這一點。他說他能借助於其他形式的運動來證明絕對時間的存在,這就是旋轉運動。他認為,旋轉運動是絕對的。牛頓當初舉了這樣一個例子:如果把一隻水桶吊在卷曲的繩索上,使它向繩索解開的方向旋轉,水麵會沿水桶邊緣上升,並形成凹形。旋轉越快,水麵上升越髙。這就是有名的“水桶實驗”。牛頓說,水麵的這種升髙就是一種絕對運動,它在原理上就證明了絕對時間的存在,並為測量絕對時間提供了方法。
牛頓的辯解顯然是站不住腳的。因為水桶是在空間中旋轉的,它必然是相對於宇宙中某個其他物體而言的,因而也就不是絕對的。但是牛頓又說,“如果在真空中旋轉,它仍將給出同樣結果。”然而牛頓在生前沒有、後來的物理學家也沒有拿出任何實驗證據,證明水桶在宇宙中的旋轉是絕對的。事實上,這種證據是永遠也找不到的!
盡管如此,牛頓仍然堅持自己的觀點。他認為,從原則上講,應該有一種理想的時間尺度——絕對時間,它能夠獨立存在而與任何特定事件和過程無關。
牛頓的這種觀點遭到了與他同時代的數學家萊布尼茲的反對。萊布尼茲認為,同時間相比,事件要更為基本,那種認為沒有事件時間也會存在的觀點是荒謬的。在他看來,時間是從事件引出來的,所有同時性事件構成了宇宙的一個階段,而這些階段就像昨天、今天和明天一樣一個緊接著一個。萊布尼茲的這種相對時間的理論,在今天看來似乎比牛頓理論更能為人接受,因為它更符合現代物理學的發展。
但是,牛頓的觀點在18世紀和19世紀仍然居於統治地位。因為它得到教會的支持。牛頓本人在給教會的一封歪信中就這樣說過:“用這些原理也許能使深思熟慮的人們相信上帝的存在。”因此,牛頓的絕對時間理論在當時被謳歌成整個宇宙的絕對真理。直至本世紀初,人們還普遍認為存在著一個獨一無二的、普遍適用的、不依賴於任何其他事物的時間體係。正因為這樣,當愛因斯坦在1905年發現了時間理論中一個從未有人懷疑過的漏洞,從而推翻了這些假說以及基於這些假說的整個時間哲學時,物理學經受了一場地震。
這個漏洞就是狹義相對論揭示的時間的相對性理論。
時間的相對性
還在學生時代愛因斯坦就在思考這樣一個令人困惑的問題:假如他以光的速度穿過以太旅行,他將看到一些什麼呢?按照運動的相對性原理,這時光束應該相當於靜“止空間中振蕩的電磁場,但這種觀點同麥克斯韋理論不符。於是愛因斯坦開始猜想,力學定律以及包括光的傳播在內的其他物理學定律,對於以不同速度運動的觀測者必然具有相同的形式。他認為,相對性原理不僅能應用於力學現象,而且同樣也能應用於光學和電磁學現象。光速不但對於相對靜止的觀測者是相同的,對於那些處於相對勻速運動中的觀測者也是相同的。邁克耳遜-莫雷實驗的零結果是“正確的”,因為:第一,不存在以太;第二,光速不變。
愛因斯坦接著便以這兩條結論為前提,推廣了伽利略的相對性原理,建立了自己的、更加普遍的新理論一一狹義相對論。所謂“狹義”,指它僅限於勻速運動的場合。
狹義相對論指出,不管是力學現象,還是光學和電磁學現象,它們所遵循的規律都與慣性係的運動狀態無關。
這樣,愛因斯坦就完滿地解決了麥克斯韋的電磁波理論和建立在牛頓力學定律基礎上的物理學其他部分之間的矛盾,從而開創了物理學的一個新時代。