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绝对时空

绝对时空(英语:Absolute time and space)是牛顿自然哲学的数学原理的一个概念。

起源

绝对时空这个概念源自于牛顿,牛顿认为绝对时空给予牛顿力学一个理论的基础,用以描述物体在空间中的运动。牛顿认为绝对空间和绝对时间是各自“独立”存在的物理量。

内容

绝对时间(Absolute time)是不会随着任何外部的作用或观察者改变。相对时间(Relative time)则是会随着外部作用或观察者而改变,可以透过量测物体的运动的绝对时间差来决定。

根据上述的概念,可以发现绝对时间其实是不可测量的且感受不到的,牛顿认为绝对时间只能由数学的形式表达,而人类也只能透过物体的移动来观察时间的消逝。

举一个例子来说明,如果有一个人要测量100米短跑,那么我们可以自由的选择当此人在起点的时刻为0秒,但此时绝对时间为多少我们不得而知,然后以码表测量此人在通过终点经过的时间,便知道此人冲刺100米所需要的时间。此过程中,我们一概不知起始的和终止的绝对时间,我们只有测量绝对时间差。

绝对空间(Absolute space)是不会随任何外部的作用或观察者改变。相对空间(Relative space)则是会随外部作用或观察者而改变,它本身具有可以改变的维度,通常我们会用物体的位置来直接描述。

举例来说,一个物体做简谐运动,我们就可以分类成一维的简谐运动,二维的简谐运动,甚至更高维度的简谐运动。事实上无论物体是在进行多少维的简谐运动,都是在同一个绝对空间中发生,我们(观察者)只是选取足够的自由度去描述这个物体而已。

另外,绝对运动(Absolute motion)指的是物体在绝对空间的运动。相对运动(Relative motion)指的是物体在相对空间中的运动。

这些关于绝对时空的规范隐含绝对时空不会受到物体现象的影响,而是所有物理现象的发生时的背景。因此,所有物体都有一个对应于绝对时空的绝对状态,这样可以知道所有物体不是绝对的静止,就是具有绝对速度。牛顿提出经验上的例子来支持他的说法,2个球体中间用一条绳子连接并开始旋转,我们可以透过测量绳子的张力发现2个球体正在绕着他们的共同质心(绝对空间)旋转(绝对旋转英语Absolute Rotation)。

不同的观点

历史上,也有其他物理学家对于牛顿提出的绝对时空抱持不同意见。莱布尼兹认为空间只有在有参考点的时候才有意义,时间只有在有物体运动的时候才有意义。乔治·贝克莱猜测,在没有参考点的情况下,不能说一个球体在旋转,或是2个用绳子连接的球体相对它们的共同质心在旋转,至多说是其中一个球体相对另外一个球体旋转。[1]

伽利略变换给出在不同惯性坐标系之间的变换关系,这代表绝对时空的说法其实是不必要,因为我们只需要选定一个惯性坐标系,便可知道在其他惯性坐标系的结果,而且没有一个惯性坐标系可以被独立出来[2][3]

另外,恩斯特·马赫提出马赫原理,当中的内容提到,在没有参考点的情况下,讨论物体的惯性是没有意义的,也再次说明绝对时空是不必要的概念。马赫原理随后在爱因斯坦关于广义相对论的论文中被强调且命名。

爱因斯坦和相对论

光锥
事件A, B, C发生的顺序会依据观察者的速度而改变,图中白色的线代表同一时刻。

时间和空间一直被认为是2个独立的物理量,直到狭义相对论被提出,狭义相对论赋予时空新的概念,其中相对同时的出现否定了绝对时间的存在,因为事件发生的时间跟观察者的速度还有事件发生的位置有关系。[4]

广义相对论更进一步用测地线的概念建立时间和空间的关系。此时,时间和空间的关系变得更为具体。

总结

牛顿绝对时空的概念,因为“绝对”的物理量本身不可测量,加上“相对”物理量,虽然随着观察者改变,但是不同观测结果之间存在直接的变换关系,而变得不必要。

参见

参考资料

  1. ^ Huggett, Nick and Hoefer, Carl. Edward N. Zalta , 编. Absolute and Relational Theories of Space and Motion - The Stanford Encyclopedia of Philosophy. Metaphysics Research Lab, Stanford University. 2015-01-22.
  2. ^ DiSalle, Robert. Edward N. Zalta , 编. Space and Time: Inertial Frames - The Stanford Encyclopedia of Philosophy. Metaphysics Research Lab, Stanford University. 2009-11-04.
  3. ^ Thornton, Stephen T.; Marion, Jerry B. Classical Dynamics of Particles and Systems. Cengage Learning India. : 672. ISBN 8131518477.
  4. ^ Halliday, David; Resnick, Robert; Walker, Jearl. Principles of Physics, 10th Edition International Student Version. Wiley. : 1320. ISBN 978-1-118-23074-9.

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