牛頓1643－1727年

牛頓的推理和假說

對於所謂‘宇宙基準’問題，

牛頓曾說，宇宙是由數目眾多的星雲和星際物質

（主要是氣體）組成。

如果宇宙的大小和物質的總量是有限的話，

那麼可以設想總質量的‘重心’，

應該存在於宇宙的某處。

所謂重心，簡單說來就是

物體支撐在地面上能保持平衡的那點。

從力學的角度考察，

如果作為宇宙基準的這樣的物體存在的話，

那麼它就是宇宙的重心。

牛頓把相對於基準物體的運動叫做絕對運動。

牛頓生前並沒有指出宇宙的重心在哪兒，

這個理論不過是一個假說而已。

牛頓去世後，這個理論正確與否，引起了後人的討論。

二、質能關係

從‘時空概念’、‘質能關係’到‘宇宙結構’等，

相對論所涉及的範圍是很廣的。相對論的成果，不僅僅限於揭示時空的概念，它還第一次闡明了質量與能量之間的關係。

三、相對論的創立背景

           ——“以太”假說

宇宙空間看起來是空虛的。

那麼到底是什麼東西，充滿了宇宙空間呢?

從古希臘時代開始，就不斷有人考慮這個問題。

亞里士多德曾認為，天體及天體之間充滿着大氣。

牛頓在發現萬有引力時，也曾說:

"如果認為萬有引力

是通過一無所有的空虛縹緲的空間起作用的話，

我認為這是荒唐可笑的。”

但是牛頓對此想法，沒有進行更深入的探討。

以後，人們都習慣地認為，

兩個物體之間的萬有引力

是通過空虛的空間直接起作用的。

換言之，當萬有引力在兩個物體間起作用時，

這兩個物體之間的空間與萬有引力作用毫無關係。

這種想法，可以叫做——力的"直接傳遞說”。

1、“以太”假說

物理學史上，最早把‘以太’，

看成是充斥在空間的物質，

荷蘭物理學者惠更斯(1629-1695),曾認為，

“光”就是一種在“以太”中發生的彈性波。

英國物理學者法拉第（1791－1867）同樣認為，

帶電物體之間的電作用和磁作用，

是在“以太”媒質中發生的。

當時人們認為，光與聲波一樣，都是一種波。

如果是波，就應該存在一種傳播它的介質

（介質就是指波狀運動藉以傳播的物質。

比如，聲音的介質是空氣；海浪的介質是海水……）。

宇宙里沒有象地面那樣的空氣，

光卻能到達地球

（網友釋注，宇宙是個無限大的空間,到目前為止，

人類還不能認識其‘億分之一’,

不能下結論說，只有地球上有空氣。

在別的星球上，只要有合適的環境，

照樣可以有空氣的存在,不一定只是地球才有空氣，

其他星球也不一定沒有空氣，只是現在還有沒發現）。

當時認為，宇宙中存在能傳播光的介質。

由此設想：填充宇宙空間的未知介質是“以太”。

就是說，

就像地球上存在空氣一樣，宇宙里存在着“以太”。

2、“以太”被看成寧靜的海洋

當時的物理學家認為，

“以太”或許有與普通物質不同的特點。

普通物質都是分子集合體，

分子由原子組成，原子則由原子核及核外電子組成。

原子是一種間隙很大的結構。

假如把一個原子的直徑，放大到1公里（2華里），

那麼原子核只不過是直徑約1厘米的球體，

在它的周圍有1厘米大小的電子，

在繞核飛轉着

（實際上，電子半徑的大小不會超過10的-13次方m）。

從比喻意義上說，

在直徑1公里的巨大立體空間裡，

只有一些1厘米那麼小的極微在旋轉。

所以，我們簡直可以近似地認為，

這個空間幾乎是空虛的。

原子核與電子是由電磁力的作用而結合成原子的。

當時就認為，在原子的空間，

或許存在着以‘電磁力’作為媒介的“以太”。

“以太”被看做是寧靜的海洋，

它無處不在，充滿整個宇宙，

而且在宇宙中保持靜止。

過去的物理學家認為，

“以太海洋”是相對於‘宇宙的重心’

保持着靜止狀態。正如有的學者形容的：

“如果把宇宙比喻成一個‘金魚缸’，

以太海就是‘金魚缸’的水。

而在以太海中運動的‘地球’，

就仿佛是在水中游動的‘金魚’。”

（《相對論淺說-宇宙時代的常識》[日]豬木正文）

正如以‘水’為基準，

來考慮‘金魚’的運動和靜止最為方便，

以“以太海”為基準,

來考慮‘地球的運動’也容易理解。

前面，我們曾提到，

古典力學中的“絕對靜止空間”及“坐標系”，

現在，讓我們複習一下什麼是"坐標系”。

“坐標系” coordinate  system指的是

用來測量靜止或運動物體的位置及時間基準的。

簡單地說，“坐標系”是用來把握空間及時間的一種圖示 。

這種坐標系，不僅可以包括空間（X軸、Y軸、z軸），

並且在也可以包括時間。

在數學中，是一種‘n個數’的序列，

可以被理解為一個n維空間中的位置。

當n=4時，所有這些位置的集合，就叫‘四維空間’。

這種空間，與我們熟悉並在其中快樂生活的三維空間不同，

因為它多了一個維數。《四維空間 百科資料》

過去人們曾假設，

‘以太’有一個無形的不會變動的坐標系，

那就是‘絕對靜止的空間’，

而‘天體’就飄浮在這個‘絕對靜止的空間’。

如果把宇宙比作一個超巨玻璃缸，

裡面充滿看不見、摸不着的、靜止不會動的‘以太’水，

超巨‘玻璃缸’的邊兒，就是固定的隱形坐標系。

這就是牛頓的絕對性物理學觀點。謝謝閱讀。