时间简史Space and Time－2

The Brief History of Time ---Stephen Hawking

 

2-Space and Time

 

伽利略和牛顿以前，人们信仰亚里士多德的理论，认为自然状态下的物体静止不动，直到外力改变它的状态。他进而认为，重的物体下落速度比轻的物体快。伽利略后来用实验证明了亚里士多德理论的错误性，并为牛顿的万有引力定律打下基础。

 

牛顿的第一定律论述了物体在没有外力作用下，一直保持它原有的运动状态（静止也是一种恒速），直到外力改变它的这种状态。牛顿的第二定律描述了一个物体在外力作用下速度的变化与它的作用力成正比，与它的重量成反比。牛顿的万有引力定律描述了物体之间具有吸引力，吸引力与物体的重量成正比，与之间的距离成反比。

 

因为没有绝对的静止，所以不能判断在不同时间点发生的事件是不是发生在空间的同一点上。比如在列车上跳动的乒乓球，一个在列车上观察的人和一个在地面上观察的人会得出不一样的结论。

 

虽然牛顿理论暗示了绝对空间的缺乏，但牛顿相信全能上帝，拒绝接受没有绝对空间的理论。同时他跟亚里士多德一样相信绝对时间的存在，认为时间独立于空间，时间与空间是相互分离的。虽然这种理论能够解释一般性问题，但是却不能解释物体运动速度接近或达到光速的现象。

 

1865年，英国科学家James Maxwell 结合电磁学理论，提出光以固定的速度以波形方式传播。接着，爱因斯坦提出狭义相对论，指出不管观察者本身的速度大小，他们测出的光速应该是固定一致的。他的著名的相对论公式E=mc^2证明了一般物体的运动，由于相对论的限制，速度不可能超过光速。只有光，或其他不具有内在体重的波，才有可能以光的速度运动。

 

爱因斯坦的相对论彻底改变了我们对于光和空间的概念。根据相对论，每一个观察者可以测出不同的光的传播距离，但光速一定是一致固定的，进而每个人得出的时间会有所不同。也就是说，相对论否定了时间的绝对性。我们必须接受时间和空间不是各自分离，而是结合在一起形成一个叫空间-时间物体。

 

我们的生活经验告诉我们，要准确描述一个空间点我们需要运用3维坐标，同样的如果要描述一个事件，需要在三维空间上再加一个时间坐标，变成四维空间，它们形成一个以光速为边界的空间-时间锥体。

 

爱因斯坦后来对他的相对论进行改革，结合牛顿的万有引力定律，提出广义相对论：由于万有引力的作用，空间-时间物体并不是直线，而是弯曲的；而且，物体的运动在四维空间中是按照最短的直线运动，但是在三维空间呈现出曲线轨道。

 

同样的，在太阳系中，虽然地球在四维空间是沿直线运动，但是在三维空间呈弧形轨道。光速也是如此，由于光束在太阳的万有引力作用下轨道内弯，导致恒星在观察者眼里呈现在不同的位置。

 

广义相对论的另一个预言是关于时间，靠近地球的时钟要比远离地球的时钟走得更慢。也就是说，住在山顶的双胞胎要比住在海平面的老得更快。同理，如果一个宇航员以接近光速的速度进入太空（他的物质会变得无限大，因而时钟走得无限慢），那么他回来会比地球人年轻很多。

 

牛顿的万有引力定律否定了空间的绝对性，爱因斯坦的广义相对论否定了时间的绝对性，空间-时间物体预示了一个动态的不断扩展的宇宙有一个确定的开始，也预示了这个宇宙可能会在将来某个特定的时间结束。