經典物理學的時空框架——絕對時空觀

2021-01-09 易簡科學通

《文子·自然》中有一句話:「往古來今謂之宙,四方上下謂之宇。」

這是我國古代道家對於宇宙的理解,「宇」在句中很明顯是上下以及前後左右的意思,也就是指所有的空間,而「宙」的意思是古往今來,很明顯指的是所有的時間。把「無限的空間」和「無限的時間」加在一起,就是我國古人所認識到無限的沒有得始終的時空,他們稱之為「宇宙」。

牛頓對時間的理解

時間是物理學中的一個基本量,時間指兩個時刻之間的間隔,兩個時刻之間間隔越長則時間越長,兩個時刻之間間隔越短則時間越短!

時間是由物體的運動來度量的時間由物體的運動來度量是由亞里斯多德提出的,他認為我們只能用物體的運動來度量時間,離開了運動我們就無法確定時間了!對於亞里斯多德的這種看法,牛頓也認為是合理的。

那麼,我們如何用運動來度量時間呢?在這裡大家可以思考一會兒再接著往下看!

對,就是天體的運動,因為天體的運動是均衡的、規律的、連續的、永不停息的!我們通過這種有規律的變化就可以確定時間,日出日落是有規律的,我們可以將太陽連續兩次被觀察到稱為一晝夜,我們規定一個晝夜的1/86400為1秒,然後就可以通過等分來確定分和時!

這個也很好理解,我們可以想像一下,將自己關在一個封閉的小黑屋中,沒有日出日落的時候,我們哪兒還有時間觀念可言呀,這裡也充分體現出了古人的智慧以及觀察、總結、歸納以及分析能力!

時間是絕對的,它獨立於事物而均勻地流逝牛頓認為時間是絕對的、不會有任何改變的,應該獨立於任何事物而均勻地流逝。

均勻流逝很好理解,意思就是說時間沒有快慢之分,只能說長短,不能說快慢。而像我們平時說的時間過得好快呀!這裡的快只不過是一個形容詞,我們內心深處其實和牛頓的理解是一樣的,時間對於每個人而言都是一樣的,都在均勻的流逝,老天爺並不會給任何人多哪怕1秒鐘的時間!

時間應該獨立於任何事物之外均勻的流逝與其他任何事物都沒有關係,這裡我們來簡單理解一下他的意思,就比如說第一次世界大戰用了4年時間,如果沒有第一次世界大戰這四年時間也會均勻的流逝,時間不會因為任何事物或事件而停止流逝,時間是獨立存在的!

那麼時間是絕對的怎麼理解呢?牛頓認為宇宙中存在著統一的時間,獨立於任何事物之外,同等地出現在任何地方。我們所用的年、月、日只不過是對絕對時間的一種描述、度量和體現,牛頓把它們稱之為相對時間,我們規定了年、月、日之後,就有了相對時間,這樣我們才能感覺到時間的流逝以及對絕對時間進行量化!

什麼是時間?時間的作用是什麼?時間就是使物體的運動成為可以度量的工具!我們對機械運動的描述是:如果一個物體的位置隨著時間發生了變化,它就是運動的,沒有發生變化就是靜止的,也說明了這一點!時間具有連續單向均勻流逝以及不可逆性,時間是用來描述一個物體在運動過程中運動的先後順序的,因為物體的運動是連續的,所以時間的流逝也是連續的!

牛頓對於空間的理解

空間是獨立於事物之外絕對存在的,牛頓認為的絕對空間滿足歐幾裡得的三位歐式空間!他認為空間應該是獨立於事物之外而絕對存在的,跟外界事物沒有任何的關係,空間應該是永遠均勻的也是不動的。

空間就像一個容器可以盛放蘋果一樣,哪怕沒有蘋果,容器還是在的,我們還可以用來盛放香蕉,也就是說,沒有事物空間是存在的,但是沒有容器,不管是蘋果還是香蕉都沒有地方放,也就是說,沒有空間,事物是不存在的!空間為物質的運動提供了場所!

牛頓所認為的空間跟我們理解的容器還有一點不一樣的地方,那就是牛頓認為空間是永遠均勻存在並且不能移動的,而我們假設的容器它是可以移動的。

牛頓甚至還專門設計了一個著名的「水桶實驗」來證明絕對空間的存在。

相對空間跟相對時間一樣,有了相對時間我們就能描述和感受絕對時間,那麼絕對空間又該如何來表現呢?當然也是通過我們的感覺來體現的,我們通過物體所在的位置就可以感受到空間的存在,牛頓認為相對空間指的就是人們憑藉生活經驗所感受到的空間,它是對絕對空間的度量!

以上就是牛頓所認為的絕對時空觀,他認為時間和空間都是可以脫離了物質而獨立存在的,強調了時間和空間的客觀存在性,認為時間和空間彼此獨立存在,並且不受物質運動的影響。

雖然在現在我們知道了愛因斯坦的相對時空觀,但我們不得承認牛頓的絕對時空觀非常符合我們的實際生活經驗,也符合宏觀、低速條件下的物理學理論體系,相對時空觀也是在絕對時空觀的思想基礎上發展起來的,所以說,科學一定是在不斷地發展和完善當中逐漸走向成熟的!

相關焦點

  • ——否定相對論時空觀
    狹義相對論時空觀不是真實物理的時空觀。關鍵詞:時空屬性 時空觀 絕對時空觀 相對論時空觀 實在光物理系統1.人在認識物質客觀的時空屬性過程中形成了:物質都存在一般時空屬性的觀念——時空觀。吸取無理屬性的一般,是哲學絕對時空觀的基礎。物理科學是對物質存在與運動的特殊物理屬性的認識,而哲學卻是對物質存在的一般性:時空屬性和物理屬性的普遍、一般屬性的認識,就是哲學的一般時空觀——絕對時空觀。這裡只討論物質時空屬性所具有的一般性——也就是絕對時空觀!
  • 二十世紀物理學的高峰相對論
    在狹義相對論提出以前,人們認為時間和空間是各自獨立的絕對的存在,自伽利略時代以來這種絕對時空的觀念就開始建立,牛頓創立的牛頓經典力學和經典運動學就是在絕對時空觀的基礎上創立。而愛因斯坦的相對論在牛頓經典力學、麥克斯韋經典電磁學等的基礎上首次提出了「四維時空」的概念,它認為時間和空間各自都不是絕對的,而絕對的是一個它們的整體——時空,在時空中運動的觀者可以建立「自己的」參照系,可以定義「自己的」時間和空間(即對四維時空做「3+1分解」),而不同的觀者所定義的時間和空間可以是不同的。
  • 既然相對論是對的,經典物理學有錯誤,為何高中還要學錯的東西?
    在高中階段,我們所學的物理學都是經典物理學,無論是牛頓運動定律,還是牛頓萬有引力定律,都屬於這個範疇,牛頓是開山鼻祖。牛頓的經典物理學是建立在絕對時空觀的基礎上,認為時間和空間是獨立存在的,並且這兩個參數在任何參照系中測出來都是一致的,時空是絕對的。
  • 【中科館大講堂兩院院士系列講座】 愛因斯坦彎曲時空陷阱與周培源-彭桓武時空觀
    廣義相對論的基礎框架是「彎曲時空」,引力只是時空彎曲的表現。愛因斯坦關於彎曲時空應當成為一切物理理論基礎的論斷,嚴重束縛了百年來基本物理學的發展和人類對於宇宙的認識。近幾年諾貝爾物理學獎授予引力波探測(2017)、大爆炸宇宙學(2019)和黑洞奇點(2020),也都被認為是廣義相對論的成功,從而進一步強化了「彎曲時空」觀對物理學未來發展的影響。
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    到了十六世紀,牛頓提出了絕對時空觀,進入20世紀愛因斯坦提出了相對論,兩種不同的觀點都解釋了時間與空間的關係。如果現在問大多數人什麼是「時空」,相信很多人都會回答是時間和空間的集合體,這也意味著時間和空間是緊密聯繫的。
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    艾薩克·牛頓牛頓接受了相對性原理和加速度概念,為了構建他的力學大廈,讓空間本身與空間中的運動都具有物理實在意義,首先明確了絕對時空觀,這也是經典力學的需要。麥克斯韋麥克斯韋完美地構建了電磁理論大廈,完善了牛頓力學,達到了經典物理學的頂峰。
  • 餘暢:「多維時空」揭秘不明現象
    人類的時空觀縱觀人類時空觀發展,基本上可以劃分為三個階段:第一階段:從牛頓的經典物理學成果出發,把宇宙看成是機械的,看成是一個以固定規律運轉的精密機器,比如地球繞著太陽旋轉,星系如同一個巨大鐘表的許多齒輪。這就是機械的時空觀,是絕對時間、絕對空間的框架體系,把時間與空間完全割裂開來。
  • 牛頓與愛因斯坦的時空觀,科學從不給任何人面子
    時間還在繼續向前流逝,牛頓與愛因斯坦兩個人的名字卻在時光的長河裡永垂不朽了,這兩位人類歷史上最偉大的科學家卻好像一對從未見過面的冤家,牛頓建立了經典力學的絕對時空觀,愛因斯坦則用相對論讓牛頓無地自容,要是他兩生活在同一個時代,我真怕牛頓會殺愛因斯坦滅口,這事他做得出來,畢竟胡克與萊布尼茨可是前車之鑑
  • 《製造小時空:時空本體論的科學預言》
    時空是什麼?時間是什麼?空間是什麼?從古至今,沒有一個人能夠真正搞清楚這三個最簡單最日常的物理學基本概念。包括老子、屈原、奧古斯汀等古代先賢們和牛頓、愛因斯坦、霍金等現代偉人科學家們。對於此,我們只能說答案一直在路上,這三個日常生活中物理學基本概念問題永遠不會終結。古代中國人說「天圓地方」,天是半圓球大蓋子,地是土石構造的平地板。
  • 穿越時空的思想魅力
    19世紀,經典物理學度過了輝煌時代,卻在進入20世紀時遇到了危機。1900年,開爾文勳爵在德國物理學家迎接新世紀來臨的年會上,用「兩朵烏雲」比喻當時最令科學界憂慮的兩個危機:麥可遜實驗與黑體輻射。正是從這兩朵烏雲中,誕生了現代物理學的基石——相對論與量子力學。
  • 現在根本不具備突破牛頓、愛因斯坦理論框架的條件
    正是如此,這就有了牛頓的絕對時空與愛因斯坦相對時空。然而,這看似對立的時空觀,卻又統一的時空觀。(參見短文《3分鐘了解牛頓的絕對時空概念》《愛因斯坦相對時空論》) 我們如果沒有新的認知,且又沒有一個超現實認知的想像,那麼,憑什麼去突破牛頓、愛因斯坦的理論框架?
  • 牛頓的絕對時空觀並不存在,絕對的參考系只能是心性自己
    光以太說雖然與牛頓在光學上主張的光粒子說不相符合,但是它卻與牛頓力學的「絕對空間」理論密切合拍。牛頓認為:「絕對空間由於它的本性以及它同外界事物無關,它永遠是同一的和不動的。」而以太恰好完全符合這個要求,於是牛頓一下子就把以太選作是他的經典力學暗示的絕對參考系。同絕對空間觀一樣,牛頓認為時間也是絕對的,並且從絕對時空觀出發,牛頓又發展出絕對運動。
  • 經典物理學中的以太存在嗎?
    曾經的經典物理學大廈上空飄著兩朵烏雲,第一朵就是沒有證明以太的存在,第二點是黑體輻射理論和實際的不匹配。這兩朵烏雲一朵發展出了相對論,另外一朵發展出量子力學。如果在當初實驗後證明了以太是存在的,那麼愛因斯坦的相對論也就不會出現了。
  • 經典力學的局限性和物理學的發展
    自從17世紀以來,以牛頓定律為基礎的經典力學不斷發展,取得了巨大的成就,經典力學在科學研究和生產技術中有了廣泛的應用,從而證明了牛頓運動定律的正確性。但是,經典力學也不是萬能的,向其它科學一樣,它也有一定的適用範圍,有自己的局限性。
  • 秒懂霍金理論(1)之大統一時空觀
    他憑藉經驗認識到世界上無論何時,鐘錶都絕對世界上無論何處,空間都絕對這就是相對論 而牛頓絕對的時空觀因為有盲區因此愛因斯坦的理論是不完備的直到量子物理學的出現微觀奇點量子物理學站在微觀尺度
  • 量子糾纏具體機制之九:經典時空、規範時空和破碎時空(分數維時空,複數維時空,虛數時空,破缺時空)
    根本原因是人類的當前時空哲學理論嚴重落後於物理學時空科學技術的蓬勃發展。而這種狀況正是促發馬客思考2043同志二十年來所研究課題的真正動力。時空哲學,時空科學,時空技術和時空產品將在二十一世紀後半期獲得突破性的發展和應用。二十二世紀將是時空技術極其成熟、時空產品極其豐富的最偉大最神奇世紀。愛因斯坦是非常偉大的。但是愛因斯坦的統一場論始終未獲得成功。
  • 超弦理論或將統一物理學
    牛頓力學在過去兩百年內穩穩地統治著物理學。這種情況直到20世紀才被打破,牛頓力學遲遲解決不了黑體輻射和光速不變這兩朵物理學天空中的烏雲,這兩大問題的解決也分別催生了量子力學和相對論。我們知道相對論分成《狹義相對論》和《廣義相對論》,前者發表於1905年,並衝破了牛頓絕對時空觀的桎梏,是對時空觀的全新詮釋,但卻只適用於慣性系。而《廣義相對論》是對狹義相對論的推廣,從而更好的闡釋了引力的本質只是時空彎曲的表象,並適用於非慣性系,且具有協變性。量子力學和相對論的矛盾不在狹義相對論的時空觀上,而是體現在廣義相對論上。