牛顿的绝对空间：物理与数学的火花

文艺复兴后期，人们不断淬炼哥白尼所提出以太阳为中心的行星系统，最终在牛顿手上，以三大运动定律及万有引力理论，将哥白尼系统图像升级为可用数学操作的物理模型。由于牛顿以简洁的物理定律分析世间万象复杂的运动，从数学方程式中提炼出精准而具预测能力的运动解，自此牛顿的机械宇宙观成为风潮，盛行将近250年，被世世代代的物理学家和工程师视为解释物质世界运行颠扑不破的圭臬。

牛顿的三大运动定律是：

牛顿第一定律：任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。

牛顿第二定律：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同。

牛顿第三定律：相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。(www.xing528.com)

牛顿将天体运动视为一般的力学问题，与地上的所有运动相同，都受这三项运动定律的规范，因而能以数学描述引力现象，成功解释了开普勒（Johannes Kepler，1571—1630）早先通过分析大量观测数据而建立起来的著名的三大行星运动定律。

不过，构筑牛顿伟大成就的三大运动定律，并非完全无懈可击。在俗称“惯性定律”的第一运动定律里，牛顿论及不受力物体必保持静止或等速运动。但我们知道，物体的运动都是相对的，那么牛顿所叙述的惯性运动究竟相对于什么参考架构系统呢？牛顿的答案是，那些运动都相对于一个假想的“绝对空间”。牛顿在他的名著《自然哲学的数学原理》中，定义所谓的绝对空间是个“本质与任何外物无关，永远保持相同且静止”状态的刚性空间。此外，他也定义了“绝对时间”的本质是“绝对、真实和数学的时间，稳定流动且与一切外物无关”。由于绝对时空的本质都与所有其他物质的存在无涉，因此牛顿定律虽然规定了处在时空舞台上物体的运动与交互作用，但它们的行为绝不会改变该舞台的结构。

如果将恒星视为亘古不变的物体，那就可用位于遥远恒星上的绝对空间参考架构来描述世间所有的运动。牛顿理解到，只有相对于遥远恒星静止或保持等速运动的“惯性参考系”里的观测者，才能使用他的三项简单物理定律来分析其他物体的运动。假设有个航天员坐在旋转的宇宙飞船里，从舱壁上的窗口向外观望，他将看见遥远的恒星沿着宇宙飞船自旋的相反方向环绕飞船不停地移动。虽然那些恒星以圆周绕转，相对于航天员有加速度存在，但它们并未受到任何外力的作用。因此，旋转的航天员不再能保持惯性运动，他所推导出的第二定律也会受到那相对加速度的影响而掺入一些额外的旋转效应，比起牛顿第二定律的原本形式要复杂许多。

若我们仔细思考就会发现，牛顿陈述其定律的方式，赋予惯性参考系一个非常特殊的位置，他的运动定律只适用于位在那些独特参考架构里的“惯性观测者”。比起其他一般的观测者，只有这些惯性观测者才能看见形式简洁的运动定律，这显然违背了哥白尼原理。如果以恰当的方式陈述，无论观测者的运动状态为何，真正的自然定律应保持一致的形式才对。因此，在自然定律支撑起来的殿堂里，所有观测者都应具备相同的地位，没有哪一个观测者比其他人更优越，能够看见形式更简单的自然定律。就此而论，牛顿的运动定律其实存在着重大瑕疵。