時間簡史Space and Time－2

The Brief History of Time ---Stephen Hawking

 

2-Space and Time

 

伽利略和牛頓以前，人們信仰亞裏士多德的理論，認為自然狀態下的物體靜止不動，直到外力改變它的狀態。他進而認為，重的物體下落速度比輕的物體快。伽利略後來用實驗證明了亞裏士多德理論的錯誤性，並為牛頓的萬有引力定律打下基礎。

 

牛頓的第一定律論述了物體在沒有外力作用下，一直保持它原有的運動狀態（靜止也是一種恒速），直到外力改變它的這種狀態。牛頓的第二定律描述了一個物體在外力作用下速度的變化與它的作用力成正比，與它的重量成反比。牛頓的萬有引力定律描述了物體之間具有吸引力，吸引力與物體的重量成正比，與之間的距離成反比。

 

因為沒有絕對的靜止，所以不能判斷在不同時間點發生的事件是不是發生在空間的同一點上。比如在列車上跳動的乒乓球，一個在列車上觀察的人和一個在地麵上觀察的人會得出不一樣的結論。

 

雖然牛頓理論暗示了絕對空間的缺乏，但牛頓相信全能上帝，拒絕接受沒有絕對空間的理論。同時他跟亞裏士多德一樣相信絕對時間的存在，認為時間獨立於空間，時間與空間是相互分離的。雖然這種理論能夠解釋一般性問題，但是卻不能解釋物體運動速度接近或達到光速的現象。

 

1865年，英國科學家James Maxwell 結合電磁學理論，提出光以固定的速度以波形方式傳播。接著，愛因斯坦提出狹義相對論，指出不管觀察者本身的速度大小，他們測出的光速應該是固定一致的。他的著名的相對論公式E=mc^2證明了一般物體的運動，由於相對論的限製，速度不可能超過光速。隻有光，或其他不具有內在體重的波，才有可能以光的速度運動。

 

愛因斯坦的相對論徹底改變了我們對於光和空間的概念。根據相對論，每一個觀察者可以測出不同的光的傳播距離，但光速一定是一致固定的，進而每個人得出的時間會有所不同。也就是說，相對論否定了時間的絕對性。我們必須接受時間和空間不是各自分離，而是結合在一起形成一個叫空間-時間物體。

 

我們的生活經驗告訴我們，要準確描述一個空間點我們需要運用3維坐標，同樣的如果要描述一個事件，需要在三維空間上再加一個時間坐標，變成四維空間，它們形成一個以光速為邊界的空間-時間錐體。

 

愛因斯坦後來對他的相對論進行改革，結合牛頓的萬有引力定律，提出廣義相對論：由於萬有引力的作用，空間-時間物體並不是直線，而是彎曲的；而且，物體的運動在四維空間中是按照最短的直線運動，但是在三維空間呈現出曲線軌道。

 

同樣的，在太陽係中，雖然地球在四維空間是沿直線運動，但是在三維空間呈弧形軌道。光速也是如此，由於光束在太陽的萬有引力作用下軌道內彎，導致恒星在觀察者眼裏呈現在不同的位置。

 

廣義相對論的另一個預言是關於時間，靠近地球的時鍾要比遠離地球的時鍾走得更慢。也就是說，住在山頂的雙胞胎要比住在海平麵的老得更快。同理，如果一個宇航員以接近光速的速度進入太空（他的物質會變得無限大，因而時鍾走得無限慢），那麽他回來會比地球人年輕很多。

 

牛頓的萬有引力定律否定了空間的絕對性，愛因斯坦的廣義相對論否定了時間的絕對性，空間-時間物體預示了一個動態的不斷擴展的宇宙有一個確定的開始，也預示了這個宇宙可能會在將來某個特定的時間結束。