牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对论时空观的统一殷业上海师范大学信息与机电工程学院，上海200234yinye@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，通过分析说明：不同的“物质空间”中时间是不同的，从而获得了对牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对时空观的统一认识。
关键词：虚空；物质空间；绝对时间；相对时间；相对论；牛顿力学中图分类号：O412 文献标识码：A0. 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，对应“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，对应“爱因斯坦的相对时间和空间”，前一种时间是空间无关的，后一种时间是空间相关的，所以在“物质空间时空观”中牛顿的绝对时空观和爱因斯坦的相对时空观可以得到了统一，下面我们对这两种不同的时间和空间的有关问题进行讨论。
1. 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”或称“无空间”。
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：不存在绝对空间，不存在绝对运动，任何运动都是相对的）。
为了后面讨论和比较各种时空观，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，根据亚里士多德的思想，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”或称为“笛卡尔以太”。
并且笛卡尔还以此提出了“以太物质空间宇宙模型”（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和光线通过太阳附近时会发生弯曲，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？最优的可选答案是：“物质相对无限可分”。
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：充满无穷小连续物质的空间为“理想物质空间”。
这样“物质空间”的定义是：连续物质占据的空间就是物质空间，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（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大爆炸时（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。
下面讨论“物质空间”概念和“以太”概念的区别？“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。
如果将“一无所有的空间不存在，存在的空间中都存在物质”作为公设或假设，那么这个假设应称为：笛卡尔-爱因斯坦物质空间假设。
这个假设正确性的根本依据是“物质空间层次模型和高维空间模型在数学上是等价的”[10]，这一点类似于量子力学中薛定谔的波动力学和海森堡的矩阵力学是等价的。
“物质空间”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。
“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，通过和机械波的类比而提出的假想物质，“以太”概念的关键是它的性质类比，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确定的概念。
而“物质空间”概念，强调空间中的物质存在，所有的物质都存在于一定的空间中，所有的空间中必存在物质，物质和空间是不可分割的，所以“物质空间”概念是明确的，可感知的，空气是一种物质空间，人在空气中急行时可感知空气的存在；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。
如果我们去仔细阅读爱因斯坦的著作，会发现爱因斯坦有一个从否定“以太”存在[2]到肯定“以太”存在[6]的思想转变过程，那么这是否意味着爱因斯坦的思想前后矛盾呢？仔细地分析发现不矛盾，因为前后两种“以太”不是同一种以太，用爱因斯坦自己的语言表达就是：第一种“以太”是“洛伦兹以太”，爱因斯坦认为这种以太不存在，第二种“以太”是“广义相对论以太”，即构成空间本身的以太。
“洛伦兹以太”是假想的电磁波载体，“广义相对论以太”是假想的引力波载体，也就是说，洛伦兹以太的振荡是电磁波，而广义相对论以太的振荡是引力波，两者不是同一个东西。
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空间的“弯曲”程度和分布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，引力是几何空间的属性。
另一条思路是：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”概念是有所不同的，主要区别有两点，（1）物质空间概念中所有连续物质占有的空间都可视为物质空间，如对鱼而言，水就是它们生活其中的物质空间，对人而言，空气就是人生活其中的物质空间，历史上从来没有人将水和空气看成是以太，所以两者是不同的概念。
（2）物质空间思想认为物质和空间是同存的，“洛伦兹以太”思想不强调这一点，即允许空间存在而电磁场不存在，“洛伦兹以太”和空间可以不同存，这一点爱因斯坦在文献[6]的附录中也进行了表述。
爱因斯坦的“广义相对论以太”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。
2. 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：模型构造法和公理构造法，爱因斯坦又称为“构造理论”（Constructive-Theory）和“原理理论”（Principle-Theory）[13]，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。