就算物质都毁灭，时间和空间依然相互独立存在

物体运动的速度由谁决定：羽毛和铁块为何同时落地

运动到底是怎样产生的？在伽利略和牛顿之前，人们关于物体运动的观念来自亚里士多德。

在亚里士多德看来，宇宙中所有物体都有其自然位置，也就是处在完美状态的位置，而物体通常都倾向于保持在完美状态的位置上。所以，一般情况下物体都固定于自然位置，一旦被移离其自然位置，物体就会倾向于返回其自然位置。他认为，这个自然位置即是静止状态。也就是说，物体通常情况下都保持静止，只有在受到力或者冲击下才会运动。很明显，在亚里士多德的观念中，力是维持物体运动的原因。

那么，从相同高度、同一时间抛下羽毛和铁块时，哪一个先落地？亚里士多德认为，一定是铁块先落地，因为重的物体受到的将其拉向地球的力更大。这一度成为人们信奉的“真理”，它看起来非常符合人们的直觉思维，即重物比轻物下落得更快。

在“重物下落得更快”的观点之外，亚里士多德还固执地认为，仅仅依靠纯粹的思维，人们就可以找出所有制约宇宙的定理，完全不需要用实践去检验。由于他的这个观点，很长一段时期内，没有人想到过要用实验来验证不同重量的物体是否确实以不同的速度下落，直到伽利略的出现。

据说，为验证亚里士多德的观点，伽利略曾在比萨斜塔上做了释放重物的实验，最终证明亚里士多德是错误的。虽然这个故事的可信度非常低，但伽利略确实为此做了一些实验。

伽利略做了一个跟物体垂直下落相似的实验，即让不同重量的物体沿着光滑的斜面滚下。这时候，由于物体下落时的速度比垂直下落时更小，所以观测起来更容易。一个简单的例子可以说明伽利略的实验：在一个沿水平方向每隔10米就下降1米的斜面上释放一个小球，不管这个小球有多重，1秒钟后小球的速度是1米/秒，2秒钟后小球的速度是2米/秒，依此类推。所以，伽利略的观测结果显示出，不管物体的重量是多少，它们沿斜面下滑时速度增加的速率是一样的。也就是说，亚里士多德“重物比轻物下落得更快”的结论是错的，羽毛和铁块应该是同时落地的。

当然，现实生活中我们会发现，铁块确实要比羽毛下落得快些，这是由于有空气阻力，空气阻力将羽毛的速度降低了。如果我们释放两个不受任何空气阻力的物体，那么无论它们的重量是多少，它们总是以同样的速度下降。这个结论随后得到了证实：航天员大卫·斯各特在没有空气阻力的月球上进行了羽毛和铁块的实验，结果发现两者确实是同时落到月球表面上的。

由此人们知道了，力并不是维持物体运动的原因，而是改变物体速度的原因。正是在伽利略这个实验结论的基础上，牛顿展开了更深入的思考和研究，并最终提出了著名的牛顿三大定律和万有引力定律。

牛顿的引力定律：是什么规定了行星的运动轨道

在伽利略尝试用实验来研究物体的运动与力的关系后，牛顿以伽利略的实验为基础，提出了三条运动定律及万有引力定律，从而规定了行星的运动轨道。

在牛顿看来，力的真正效应是改变物体的速度而不是仅仅使之运动，这就意味着，只要物体不受任何外力的作用，它就会一直保持静止或以相同的速度保持直线运动。这正是牛顿第一定律的内容。

与牛顿第一定律运动是由施加了某些力而引起的不同，牛顿第二定律指出，作用在物体上的力等于该物体的质量与其加速度的乘积。也就是说，如果施加在物体上的力加倍了，那么物体的加速度就会加倍；若力不变，物体的质量增大为原来的2倍，加速度则会变成原来的一半。这就好比一辆小轿车，发动机越强劲有力，其加速度就越大；若发动机不变而小轿车变重，那么加速度就会变小。

牛顿第二定律进一步解释了，为何羽毛和铁块会同时落地。对高空抛下的物体而言，如果忽略空气阻力，它所承受的外力来自与自身质量成正比的重力，而这个外力所产生的加速度是与外力的大小成正比而与质量成反比的。因此，重的物体一方面确实可以获得较大的外力，但另一方面也会由于自身的质量而无法获得较大的加速度。所以，在没有空气阻力的情况下，相同高度抛出的羽毛和铁块会以相同的加速度落向地面，所经历的时间自然也是相同的。

牛顿第三定律说的是，当一个物体对另一个物体施加一个力时，另一物体也会对该物体施加同样大小、方向相反的力。简单来讲就是，每个作用力都有与之相对的大小相等、方向相反的反作用力，就像我们用力推墙时，墙壁也会同时给我们一个同样大小的反作用力。

第一章我们讲到过，在开普勒发现行星运动三大定律之后，牛顿运用引力定律解释了为何行星要绕太阳运行。事实上，正是在牛顿三大定律的基础上，牛顿提出了万有引力定律，即自然界中任何两个物体间都存在着相互吸引力，引力与每个物体的质量成正比，与它们之间的距离成反比。

由牛顿引力定律我们得出，一个恒星的引力是一个类恒星在距离小一半时的引力的1/4。这个结论极其精确地预言了地球、月球和其他行星的轨道。人们发现，如果这结论中恒星的引力随着距离减小或者增大得更快一些，行星的轨道就不再是椭圆的了，而是会以螺旋线形状盘旋到太阳上去，或者从太阳系逃逸。

牛顿的运动定律和引力定律，解释了我们所知的宇宙中几乎所有的运动，从球棒击打棒球产生的运动到星系的运动。与此同时，伴随着其运动定律的提出，另一个问题也浮出水面，即由运动定律可以得出，不存在唯一的静止标准。接下来，牛顿将为这个观念困惑不已，而爱因斯坦则在其基础上提出了著名的相对论。

“绝对”光速：无论怎么测量，光速数值始终不变

光速一开始被认为是无限的。很多早期的物理学家，如弗兰西斯·培根、约翰内斯·开普勒和勒内·笛卡儿等，都认为光速无限。不过，伽利略却认为光速是有限的。1638年，他让两个人提着灯笼各爬到相距约一千米的山上，让第一个人掀开灯笼，并开始计时，对面山上的人看见亮光后也掀开灯笼，等第一个人看见亮光后，停止计时。这是历史上非常著名的测量光速的掩灯方案，但由于光速实在太快了，地面上的测量很难捕捉到，因此实验并没有成功。

由于宇宙广阔的空间为测量光速提供了足够大的距离，因此，光速的测量首先在天文学上取得了成功。1676年，丹麦天文学家奥勒·罗默首次测量了光速。当时，他凭借研究木星的卫星木卫一的视运动，首次证明了光是以有限速度传播，而非无限。不过，由于他在求值过程中利用了地球的半径，而当时人们只知道地球轨道半径的近似值，所以求出的光速数值只有214300km/s。不过，这个光速值虽然距离光速的准确值相去甚远，却是光速测量史上的第一个记录，仍值得人铭记。当然，在奥勒·罗默之后，许多科学家采用不同的方法对光速进行了测量，得出了越来越接近准确值的光速数值。而在近两百年后的1865年，英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦首次提出光是一种电磁波，用波动的概念描述了光的传播过程。

接下来的1887年，美国物理学家阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷在做光的实验时，赫然发现了光速的一个奇特之处。我们知道，如果一个人以100千米的时速驾驶一辆汽车飞驰，此时他看到身旁有一辆以时速200千米行驶的列车，那么，他会发现什么？有基本物理常识的人都知道，如果汽车与列车行驶方向相同，那么人对列车的目测速度就是时速100千米；但如果汽车与列车的行驶方向相反，那么人对列车的目测速度就会是时速300千米。这个结论几乎适用于地球上的一切事物，但并不适合光速。

迈克耳孙和莫雷对光的实验结果说明了光速并不遵循这一规律。仍以上述汽车和列车为例。按理说，由运动光源发出的光速肯定比由静止光源发出的光速更快。此时，如果运动中的光相交，那么目测速度就应该是两者速度之和。但实际上，实验结果却显示，无论是在运动中或者处于静止中，光的行进速度都是恒定的。也就是说，你把手电放在静止的地面上让其发出光，和你拿着手电一边跑动一边让手电发出光，两者的光速是一样的，丝毫没有因为手电的运动状态而改变。由此也能得知，当人们测量光速时，无论我们自身是运动的还是静止的，测量出的结果都是不变的。也就是说，无论测量者本身如何变化，或者光源本身如何变化，光速始终是恒定不变的。

现在看来，无论怎样测量，数值都不变的光速，似乎是“绝对”的，亘古不变的。也正是在这个结论的基础上，爱因斯坦提出了相对论，揭开了宇宙学研究的新篇章。

绝对时间和绝对空间：即使物质都毁灭，它们依然存在

绝对时间和绝对空间的概念，来自大科学家牛顿。

什么是绝对时间？在其著作《自然哲学的数学原理》中，牛顿对时间做了如下描述：“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，且由于其本性而在均匀地、与任何外界事物无关地流逝着。”

在牛顿看来，时间对任何人来说都是一样的，从不逗留，也不会停滞。一个很明显的事实是，时间与人类或者其他任何物体都毫无关联，无论我们采取怎样的方式来计算，时间都在以同样的速度流逝着，毫无改变。正因为如此，很多学者文人为“时间”留墨，慨叹时间永恒流逝而人生短暂。从这样的感觉出发，不可挽留和不可停滞的时间，就叫作绝对时间。

如果你从一个国家到另一个国家，你需要调整自己的钟表来适应当地的时间。那么，假如这一刻世界上所有的钟表都消失了，时间会怎么样呢？答案就是，时间依然存在并将继续行走下去。将范围扩大一点，假如全部的原子或粒子和钟表一起消失了，时间又会怎么样呢？或者更严重一点，假如地球、太阳、银河系甚至整个宇宙都消失了，时间会怎么样呢？或许有人会认为，既然整个宇宙都消失了，一切都不存在了，那时间肯定也不存在了。

但在牛顿的绝对时间观念中，即便整个宇宙都消失，时间依然独立存在着，无关任何人和事，且将永远存在。

那么，绝对空间又是什么呢？同样在牛顿的《自然哲学的数学原理》一书中，牛顿这样描述绝对空间：“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关且永远是相同的和不动的。”

跟绝对时间一样，绝对空间也是独立于任何事物而独立存在的。就像一个舞台一样，即便没有演员上台表演，舞台依然独立且永远地存在着。为了证明绝对空间的存在，牛顿还专门构思了一个理想实验，即有名的水桶实验。

在水桶实验中，牛顿假设有一个保持静止的注满水的水桶。之后，用绳子绑住水桶的把手，将水桶吊在一棵树的树枝上，使水桶开始旋转。一开始，水桶中的水仍然保持静止，但不久后它就开始随着水桶一起转动，水面会渐渐脱离其中心沿着桶壁上升而形成一个凹状。牛顿认为，水面形成凹形是水脱离转轴的倾向，这种倾向不依赖于水相对周围物体的任何移动。也就是说，这是水桶相对于绝对空间旋转而引发的。

绝对时空的观念体现出牛顿的一个观点：动者恒动，静者恒静。而正是基于时间和空间的这种绝对性，牛顿建构出了运动的法则。在阐述牛顿第一运动定律时，牛顿就将其建立在绝对时空——一个不依赖于外界任何事物而独自存在的参考系上。在绝对时空中，物体都具有保持原来运动状态的性质，这就是惯性。不过，虽然绝对时空的观念是牛顿理论体系的基础，但在其提出后的200年间备受质疑，并给牛顿本人带来了不小的困扰。

牛顿的困惑：没有绝对静止，意味着没有绝对的时间和空间

前面我们讲到，亚里士多德相信一个优越的静止状态，即在没有任何外力或冲击的时候物体都保持静止状态。牛顿定律却告诉我们，并不存在唯一的静止标准。

根据牛顿定律，静止是相对的。通常，这样的两种表述是等价的，即物体A静止，物体B以恒定的速度相对于物体A运动，或者物体B静止，物体A以恒定的速度相对于物体B运动。那么，在暂时忽略地球的自转及它绕太阳公转的前提下，我们可以说地球是静止的，一辆电车以30英里/小时的速度正向西运动；或者说电车是静止的，地球正以30千米/小时的速度向东运动。以这个情况为基础，假设此时有人在电车上做有关物体运动的实验，那么牛顿定律仍然成立。

试想一下这个场景：你被封闭在一个大箱子里，但你不知道这个箱子是静止放在地上还是放在一个运动着的火车上。此时，如果按照亚里士多德的观念，物体都倾向于静止，那么箱子肯定应该是静止的。但如果按照牛顿定律，在箱子里做一个实验，结果又如何呢？我们都有过这样的体验，在运动着的火车上打乒乓球，其结果和在静止的地面上打是一样的。那么，如果你在箱子里打球，无论箱子是静止还是正以某种速度相对地面运动，球的行为都是一样的。也就是说，你无法得知究竟是火车还是地面在运动，这说明运动的概念只有当它相对于其他物体时才有意义。

事实上，缺乏静止的绝对标准意味着，我们无法确定在不同的时间发生的两个事件是否发生在空间相同的位置上。

为说明这一点，我们仍以火车上打乒乓球为例。假设一个人在行进的火车上打乒乓球，让球在1秒的间隔中两次撞到桌面上的同一点。那么，对他而言，球第一次和第二次弹跳的位置是相同的，空间间隔距离为0。可是，同样是这个过程，对站在铁轨旁的人来说，因为火车在弹跳期间沿着铁轨行进了40米，所以他看到的两次弹跳的空间距离似乎就隔了40米那么远。所以说，对不同运动状态的人来说，物体的位置、它们之间的距离以及运动状态都有可能是不同的。这个结论直接否定了绝对空间的概念，使得笃信绝对上帝的牛顿十分困惑，他甚至拒绝接受这个从他自己的定律中延伸出的结论。

当然，在牛顿定律及以上结论的基础上，百年后爱因斯坦提出了更为大胆的理论，不但否定了绝对空间，还进一步否定了绝对时间的概念。在相对论中，爱因斯坦提出，事件之间的时间长度，与乒乓球弹跳点间的距离一样，也会因观察者的不同而不同。也就是说，绝对时间也是不存在的。可以想见，对此结果，曾经困惑的牛顿会更加困惑。但无论如何，科学理论只有经过不断革新和发展，才能更加完备。