就算物質都毀滅，時間和空間依然相互獨立存在

物體運動的速度由誰決定：羽毛和鐵塊為何同時落地

運動到底是怎樣產生的？在伽利略和牛頓之前，人們關于物體運動的觀念來自亞里士多德。

在亞里士多德看來，宇宙中所有物體都有其自然位置，也就是處在完美狀態的位置，而物體通常都傾向于保持在完美狀態的位置上。所以，一般情況下物體都固定于自然位置，一旦被移離其自然位置，物體就會傾向于返回其自然位置。他認為，這個自然位置即是靜止狀態。也就是說，物體通常情況下都保持靜止，只有在受到力或者沖擊下才會運動。很明顯，在亞里士多德的觀念中，力是維持物體運動的原因。

那么，從相同高度、同一時間拋下羽毛和鐵塊時，哪一個先落地？亞里士多德認為，一定是鐵塊先落地，因為重的物體受到的將其拉向地球的力更大。這一度成為人們信奉的“真理”，它看起來非常符合人們的直覺思維，即重物比輕物下落得更快。

在“重物下落得更快”的觀點之外，亞里士多德還固執地認為，僅僅依靠純粹的思維，人們就可以找出所有制約宇宙的定理，完全不需要用實踐去檢驗。由于他的這個觀點，很長一段時期內，沒有人想到過要用實驗來驗證不同重量的物體是否確實以不同的速度下落，直到伽利略的出現。

據說，為驗證亞里士多德的觀點，伽利略曾在比薩斜塔上做了釋放重物的實驗，最終證明亞里士多德是錯誤的。雖然這個故事的可信度非常低，但伽利略確實為此做了一些實驗。

伽利略做了一個跟物體垂直下落相似的實驗，即讓不同重量的物體沿著光滑的斜面滾下。這時候，由于物體下落時的速度比垂直下落時更小，所以觀測起來更容易。一個簡單的例子可以說明伽利略的實驗：在一個沿水平方向每隔10米就下降1米的斜面上釋放一個小球，不管這個小球有多重，1秒鐘后小球的速度是1米/秒，2秒鐘后小球的速度是2米/秒，依此類推。所以，伽利略的觀測結果顯示出，不管物體的重量是多少，它們沿斜面下滑時速度增加的速率是一樣的。也就是說，亞里士多德“重物比輕物下落得更快”的結論是錯的，羽毛和鐵塊應該是同時落地的。

當然，現實生活中我們會發現，鐵塊確實要比羽毛下落得快些，這是由于有空氣阻力，空氣阻力將羽毛的速度降低了。如果我們釋放兩個不受任何空氣阻力的物體，那么無論它們的重量是多少，它們總是以同樣的速度下降。這個結論隨后得到了證實：航天員大衛·斯各特在沒有空氣阻力的月球上進行了羽毛和鐵塊的實驗，結果發現兩者確實是同時落到月球表面上的。

由此人們知道了，力并不是維持物體運動的原因，而是改變物體速度的原因。正是在伽利略這個實驗結論的基礎上，牛頓展開了更深入的思考和研究，并最終提出了著名的牛頓三大定律和萬有引力定律。

牛頓的引力定律：是什么規定了行星的運動軌道

在伽利略嘗試用實驗來研究物體的運動與力的關系后，牛頓以伽利略的實驗為基礎，提出了三條運動定律及萬有引力定律，從而規定了行星的運動軌道。

在牛頓看來，力的真正效應是改變物體的速度而不是僅僅使之運動，這就意味著，只要物體不受任何外力的作用，它就會一直保持靜止或以相同的速度保持直線運動。這正是牛頓第一定律的內容。

與牛頓第一定律運動是由施加了某些力而引起的不同，牛頓第二定律指出，作用在物體上的力等于該物體的質量與其加速度的乘積。也就是說，如果施加在物體上的力加倍了，那么物體的加速度就會加倍；若力不變，物體的質量增大為原來的2倍，加速度則會變成原來的一半。這就好比一輛小轎車，發動機越強勁有力，其加速度就越大；若發動機不變而小轎車變重，那么加速度就會變小。

牛頓第二定律進一步解釋了，為何羽毛和鐵塊會同時落地。對高空拋下的物體而言，如果忽略空氣阻力，它所承受的外力來自與自身質量成正比的重力，而這個外力所產生的加速度是與外力的大小成正比而與質量成反比的。因此，重的物體一方面確實可以獲得較大的外力，但另一方面也會由于自身的質量而無法獲得較大的加速度。所以，在沒有空氣阻力的情況下，相同高度拋出的羽毛和鐵塊會以相同的加速度落向地面，所經歷的時間自然也是相同的。

牛頓第三定律說的是，當一個物體對另一個物體施加一個力時，另一物體也會對該物體施加同樣大小、方向相反的力。簡單來講就是，每個作用力都有與之相對的大小相等、方向相反的反作用力，就像我們用力推墻時，墻壁也會同時給我們一個同樣大小的反作用力。

第一章我們講到過，在開普勒發現行星運動三大定律之后，牛頓運用引力定律解釋了為何行星要繞太陽運行。事實上，正是在牛頓三大定律的基礎上，牛頓提出了萬有引力定律，即自然界中任何兩個物體間都存在著相互吸引力，引力與每個物體的質量成正比，與它們之間的距離成反比。

由牛頓引力定律我們得出，一個恒星的引力是一個類恒星在距離小一半時的引力的1/4。這個結論極其精確地預言了地球、月球和其他行星的軌道。人們發現，如果這結論中恒星的引力隨著距離減小或者增大得更快一些，行星的軌道就不再是橢圓的了，而是會以螺旋線形狀盤旋到太陽上去，或者從太陽系逃逸。

牛頓的運動定律和引力定律，解釋了我們所知的宇宙中幾乎所有的運動，從球棒擊打棒球產生的運動到星系的運動。與此同時，伴隨著其運動定律的提出，另一個問題也浮出水面，即由運動定律可以得出，不存在唯一的靜止標準。接下來，牛頓將為這個觀念困惑不已，而愛因斯坦則在其基礎上提出了著名的相對論。

“絕對”光速：無論怎么測量，光速數值始終不變

光速一開始被認為是無限的。很多早期的物理學家，如弗蘭西斯·培根、約翰內斯·開普勒和勒內·笛卡兒等，都認為光速無限。不過，伽利略卻認為光速是有限的。1638年，他讓兩個人提著燈籠各爬到相距約一千米的山上，讓第一個人掀開燈籠，并開始計時，對面山上的人看見亮光后也掀開燈籠，等第一個人看見亮光后，停止計時。這是歷史上非常著名的測量光速的掩燈方案，但由于光速實在太快了，地面上的測量很難捕捉到，因此實驗并沒有成功。

由于宇宙廣闊的空間為測量光速提供了足夠大的距離，因此，光速的測量首先在天文學上取得了成功。1676年，丹麥天文學家奧勒·羅默首次測量了光速。當時，他憑借研究木星的衛星木衛一的視運動，首次證明了光是以有限速度傳播，而非無限。不過，由于他在求值過程中利用了地球的半徑，而當時人們只知道地球軌道半徑的近似值，所以求出的光速數值只有214300km/s。不過，這個光速值雖然距離光速的準確值相去甚遠，卻是光速測量史上的第一個記錄，仍值得人銘記。當然，在奧勒·羅默之后，許多科學家采用不同的方法對光速進行了測量，得出了越來越接近準確值的光速數值。而在近兩百年后的1865年，英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋首次提出光是一種電磁波，用波動的概念描述了光的傳播過程。

接下來的1887年，美國物理學家阿爾伯特·邁克耳孫和愛德華·莫雷在做光的實驗時，赫然發現了光速的一個奇特之處。我們知道，如果一個人以100千米的時速駕駛一輛汽車飛馳，此時他看到身旁有一輛以時速200千米行駛的列車，那么，他會發現什么？有基本物理常識的人都知道，如果汽車與列車行駛方向相同，那么人對列車的目測速度就是時速100千米；但如果汽車與列車的行駛方向相反，那么人對列車的目測速度就會是時速300千米。這個結論幾乎適用于地球上的一切事物，但并不適合光速。

邁克耳孫和莫雷對光的實驗結果說明了光速并不遵循這一規律。仍以上述汽車和列車為例。按理說，由運動光源發出的光速肯定比由靜止光源發出的光速更快。此時，如果運動中的光相交，那么目測速度就應該是兩者速度之和。但實際上，實驗結果卻顯示，無論是在運動中或者處于靜止中，光的行進速度都是恒定的。也就是說，你把手電放在靜止的地面上讓其發出光，和你拿著手電一邊跑動一邊讓手電發出光，兩者的光速是一樣的，絲毫沒有因為手電的運動狀態而改變。由此也能得知，當人們測量光速時，無論我們自身是運動的還是靜止的，測量出的結果都是不變的。也就是說，無論測量者本身如何變化，或者光源本身如何變化，光速始終是恒定不變的。

現在看來，無論怎樣測量，數值都不變的光速，似乎是“絕對”的，亙古不變的。也正是在這個結論的基礎上，愛因斯坦提出了相對論，揭開了宇宙學研究的新篇章。

絕對時間和絕對空間：即使物質都毀滅，它們依然存在

絕對時間和絕對空間的概念，來自大科學家牛頓。

什么是絕對時間？在其著作《自然哲學的數學原理》中，牛頓對時間做了如下描述：“絕對的、真正的和數學的時間自身在流逝著，且由于其本性而在均勻地、與任何外界事物無關地流逝著。”

在牛頓看來，時間對任何人來說都是一樣的，從不逗留，也不會停滯。一個很明顯的事實是，時間與人類或者其他任何物體都毫無關聯，無論我們采取怎樣的方式來計算，時間都在以同樣的速度流逝著，毫無改變。正因為如此，很多學者文人為“時間”留墨，慨嘆時間永恒流逝而人生短暫。從這樣的感覺出發，不可挽留和不可停滯的時間，就叫作絕對時間。

如果你從一個國家到另一個國家，你需要調整自己的鐘表來適應當地的時間。那么，假如這一刻世界上所有的鐘表都消失了，時間會怎么樣呢？答案就是，時間依然存在并將繼續行走下去。將范圍擴大一點，假如全部的原子或粒子和鐘表一起消失了，時間又會怎么樣呢？或者更嚴重一點，假如地球、太陽、銀河系甚至整個宇宙都消失了，時間會怎么樣呢？或許有人會認為，既然整個宇宙都消失了，一切都不存在了，那時間肯定也不存在了。

但在牛頓的絕對時間觀念中，即便整個宇宙都消失，時間依然獨立存在著，無關任何人和事，且將永遠存在。

那么，絕對空間又是什么呢？同樣在牛頓的《自然哲學的數學原理》一書中，牛頓這樣描述絕對空間：“絕對的空間，就其本性而言，是與外界任何事物無關且永遠是相同的和不動的。”

跟絕對時間一樣，絕對空間也是獨立于任何事物而獨立存在的。就像一個舞臺一樣，即便沒有演員上臺表演，舞臺依然獨立且永遠地存在著。為了證明絕對空間的存在，牛頓還專門構思了一個理想實驗，即有名的水桶實驗。

在水桶實驗中，牛頓假設有一個保持靜止的注滿水的水桶。之后，用繩子綁住水桶的把手，將水桶吊在一棵樹的樹枝上，使水桶開始旋轉。一開始，水桶中的水仍然保持靜止，但不久后它就開始隨著水桶一起轉動，水面會漸漸脫離其中心沿著桶壁上升而形成一個凹狀。牛頓認為，水面形成凹形是水脫離轉軸的傾向，這種傾向不依賴于水相對周圍物體的任何移動。也就是說，這是水桶相對于絕對空間旋轉而引發的。

絕對時空的觀念體現出牛頓的一個觀點：動者恒動，靜者恒靜。而正是基于時間和空間的這種絕對性，牛頓建構出了運動的法則。在闡述牛頓第一運動定律時，牛頓就將其建立在絕對時空——一個不依賴于外界任何事物而獨自存在的參考系上。在絕對時空中，物體都具有保持原來運動狀態的性質，這就是慣性。不過，雖然絕對時空的觀念是牛頓理論體系的基礎，但在其提出后的200年間備受質疑，并給牛頓本人帶來了不小的困擾。

牛頓的困惑：沒有絕對靜止，意味著沒有絕對的時間和空間

前面我們講到，亞里士多德相信一個優越的靜止狀態，即在沒有任何外力或沖擊的時候物體都保持靜止狀態。牛頓定律卻告訴我們，并不存在唯一的靜止標準。

根據牛頓定律，靜止是相對的。通常，這樣的兩種表述是等價的，即物體A靜止，物體B以恒定的速度相對于物體A運動，或者物體B靜止，物體A以恒定的速度相對于物體B運動。那么，在暫時忽略地球的自轉及它繞太陽公轉的前提下，我們可以說地球是靜止的，一輛電車以30英里/小時的速度正向西運動；或者說電車是靜止的，地球正以30千米/小時的速度向東運動。以這個情況為基礎，假設此時有人在電車上做有關物體運動的實驗，那么牛頓定律仍然成立。

試想一下這個場景：你被封閉在一個大箱子里，但你不知道這個箱子是靜止放在地上還是放在一個運動著的火車上。此時，如果按照亞里士多德的觀念，物體都傾向于靜止，那么箱子肯定應該是靜止的。但如果按照牛頓定律，在箱子里做一個實驗，結果又如何呢？我們都有過這樣的體驗，在運動著的火車上打乒乓球，其結果和在靜止的地面上打是一樣的。那么，如果你在箱子里打球，無論箱子是靜止還是正以某種速度相對地面運動，球的行為都是一樣的。也就是說，你無法得知究竟是火車還是地面在運動，這說明運動的概念只有當它相對于其他物體時才有意義。

事實上，缺乏靜止的絕對標準意味著，我們無法確定在不同的時間發生的兩個事件是否發生在空間相同的位置上。

為說明這一點，我們仍以火車上打乒乓球為例。假設一個人在行進的火車上打乒乓球，讓球在1秒的間隔中兩次撞到桌面上的同一點。那么，對他而言，球第一次和第二次彈跳的位置是相同的，空間間隔距離為0。可是，同樣是這個過程，對站在鐵軌旁的人來說，因為火車在彈跳期間沿著鐵軌行進了40米，所以他看到的兩次彈跳的空間距離似乎就隔了40米那么遠。所以說，對不同運動狀態的人來說，物體的位置、它們之間的距離以及運動狀態都有可能是不同的。這個結論直接否定了絕對空間的概念，使得篤信絕對上帝的牛頓十分困惑，他甚至拒絕接受這個從他自己的定律中延伸出的結論。

當然，在牛頓定律及以上結論的基礎上，百年后愛因斯坦提出了更為大膽的理論，不但否定了絕對空間，還進一步否定了絕對時間的概念。在相對論中，愛因斯坦提出，事件之間的時間長度，與乒乓球彈跳點間的距離一樣，也會因觀察者的不同而不同。也就是說，絕對時間也是不存在的。可以想見，對此結果，曾經困惑的牛頓會更加困惑。但無論如何，科學理論只有經過不斷革新和發展，才能更加完備。