我们先谈牛顿的时空观。

所谓时空观，就是对时间和空间物理性质的认识。我们平时生活中谈事情必须要依托于时间、地点，比如某甲说：“我昨晚十点在家看电视。”这样大家就会有一个明晰的信息。但到底什么是时间，什么是空间，二者的关系又如何，这种最基本的问题真不是一般人所能回答的，要给出纯粹的定义那更是不可能的。

但牛顿不是一般人，所以他就明确地给出了自己的时空观：第一，时间是独立存在的，均匀地流逝，没有起点，也没有终点，也就是说时间是绝对的，这很好理解；第二，空间是独立存在的，不依赖于任何物体，即便宇宙万物都消失了，空间依然存在，也就是说空间也是绝对的，这也很好理解；最后，时间与空间互不影响，这就更好理解了。北京和纽约这两个不同空间的时间还能不一样？分别在地面和飞机上的手表走时还能不一样？这就是牛顿的绝对时空观。说形象点，在牛顿看来，时空就好比是一个大舞台，宇宙万物就是在舞台上表演的演员，给你这个舞台，演员得以在其上表演，但你的表演影响不了这个舞台；你们都不来表演，我这个舞台依然存在，空间和时间不会因为宇宙万物的运行和生灭而发生任何改变，空间和时间之间也是井水不犯河水，各管各的事。这就是绝对时空观。

牛顿理论为什么好理解，正因为他的绝对时空观符合我们的常识；但常识不是科学，这一点牛顿很懂，所以他也想通过实验来证明自己的时空观。但绝对时间很难下手，牛顿也是柿子先捡软的捏，先证明一下绝对空间的存在。

思路是这样的：我们都知道运动是相对的，若坐在平稳飞行的飞机上，就会觉得飞机没动，但地面上的人会觉得这架飞机飞过去了；也就是说飞机相对于地面在飞动，但相对于飞机内的乘客，它就没动，这就是运动的相对性。我们经常会说：他坐在那里一动不动。这话也对也不对。相对于他坐的椅子，也就是以椅子为参照物，他是没动；但是若以太阳为参照物，那会如何？太阳黑子会觉得他动得很猛，因为地球在绕着太阳公转，还在自转，他咋能一动没动呢？此所谓“坐地日行八万里”的道理。总之，运动是相对的，你要说谁动了还是没动，一定要有一个参照物。

但是，若果然有绝对空间的存在，就会有相对于绝对空间的运动，这种运动就可以叫绝对运动。若能证明某个运动是绝对运动，也就是说这个运动不依赖于任何参照物，那不反过来就证明有绝对空间的存在了吗？

于是，牛顿设计了一个很朴实的实验，史称“水桶实验”。先找一个木桶，然后倒上半桶水，把桶放稳当，此时桶里的水面是平平的，然后突然让水桶顺时针旋转起来，水桶刚一旋转的时候，桶内的水没有反应过来，并没有跟着一起旋转，所以水面还是平面的。桶转了一段时间后，水反应过来了，你转我也要转。当然这是在拟人化，其物理原因就是桶内壁的摩檫力开始带动水一起旋转，于是水面就逐渐形成了凹陷，而且越来越凹陷下去，直到水与桶的转速一致。一旦水与桶的转速一致，水与桶之间就相对静止了，水相对于地面在转动，但是相对于桶，水是不转的。而此时的水面也形成了稳定的凹面。

估计有人听得不耐烦，会说这些都是生活常识啊，有什么意义呢？还是让牛顿回答你：这就说明绝对空间是存在的。牛顿是这样解释的：水桶刚开始顺时针旋转时，水没反应过来，但此时的水相对于桶壁已经开始逆时针旋转了。为何水面还是平的呢？牛顿说：因为此时的水相对于绝对空间是静止的。等水转了起来，逐渐形成了凹面，与旋转的桶壁达到相对静止后，水面还是凹面，这怎么理解呢？水已经相对静止了，为何还要凹面呢？牛顿又说，这说明水相对于绝对空间是运动的。

5-1 水桶实验

简而言之，牛顿是这样认为的：即使在水与桶没有相对运动的情况下，我们也可以判断出水究竟有没有相对绝对空间在转动。依据就是：若水面平坦，则无绝对运动；若水面呈凹形，则有绝对的转动。所以说，绝对空间是存在的。

大家瞧瞧，就这么一个破水桶旋转，牛顿在脑子里就能转出一个绝对空间来，斯人已逝，牛气犹在，不得不服啊。

但西方学术领域的风气是：谁厉害就攻击谁，而且尽量攻击对方的死穴，扳不倒也要弄出点心理阴影。牛顿活着的时候，虽然有不少人跃跃欲试，但也没有扳倒牛顿对水桶的解读。直到他去世一百多年后，才出现了一个人物，名曰马赫，开始挑战了。这人名字一听就不是善茬，你叫牛顿，我叫马赫，赫赫有名的马。

这马赫一上来就批判牛顿对水桶的解释。马赫说：水桶实验并不能说明水桶是否相对于绝对空间在转动，而是反映水桶相对于整个宇宙天体是否在转动。看看，马赫一出手，就打在了牛顿的软肋上。马赫的意思是这样的：水面变凹，并不是由于绝对转动引起的，而是由于宇宙间各种物质对桶里的水的作用结果。无论是水相对于宇宙间物质在转动，还是宇宙间物质相对于水在转动，二者间结果一定是一样的，因为水面都会变凹。所以，水面变凹只能证明水与宇宙其他物质之间有相对转动。

估计有的读者有些懵，这“牛马之争”到底谁正确呢？心里没有了主意。但我们隐隐感觉马赫的思维高度是宇宙级的，他是从全宇宙的角度来看一个破水桶，得出了很不一般的解读。这个解读深深地影响了一个人物，就是预言引力波的那个人，所以我们就在这里打住，后续章节我们还要麻烦“马老”出来走两步。

我们现在把话题转移到运动的相对性上来。刚才已经介绍了飞机的例子，也就是空中的飞机相对于地面观测者是运动的，但对于飞机内的乘客是静止的。运动的相对性必然导致速度也具有相对性。比如在高速公路上开车，已经开到时速100千米了但你感觉并不快，而在市中心若是开到时速70千米，自己就觉得很疯狂，为什么？就是因为参照点不同。在市中心，开车人的参照点是路上的行人和其他车辆，大家都很慢，你开70千米/小时就感觉很快；在高速上，路上没人，视野开阔，最近的参照点就是前方的车辆，大家都开100千米/小时左右，你开100千米/小时就感觉没怎么动，只是看着远方建筑物向后走去，才觉得有点速度。

我们不能老是定性地认为，物理学是个定量的科学，所以我举一个定量的例子。一辆公交车以时速50千米在运动，意思就是它相对于路面的时速是50千米/小时，它相对于旁边的骑自行车的人是多大速度呢？恐怕就不是50千米/小时了吧，具体多少取决于自行车的速率和方向。

若自行车以时速10千米顺着公交车方向前行，骑车人就觉得公交车的时速是50千米/小时-10千米/小时等于40千米/小时；若逆着公交车方向，骑车人就觉得公交时速是50千米/小时加上10千米/小时等于60千米/小时。这个例子很简单，但它体现了牛顿的速度合成原理，而且也很符合常识。即便没听说过速度合成原理的人，也会不由自主地去运用它。比如，运动员投掷标枪时为何要助跑，不就是想把助跑速度添加到标枪出手的速度上去吗？说得“牛顿”一点就是：标枪相对于地面的速度，等于助跑速度加上标枪相对于运动员的速度。

就是这样一个非常自然而然、极其朴素的速度合成原理，其中竟然隐含了绝对时空观，这是很多人意想不到的。

现在大家再想一想，如果我们把刚才运动员投出的标枪换成一束光，又会如何？想象一下，你在黑暗的旷野中拿着一个手电筒指向远方，然后打开按钮，一束光以30万千米/秒的速度向黑暗中奔去；而此时的你，为了让光速更快一些，你会不会事先来一段助跑？估计很多人笑了，有些人是在笑这个问题，估计也有人笑作者：我们这双腿的速度与光速相比简直可以忽略不计，根本无法测量影响。你说得很对，如果在较短的距离来接受光信号，确实感受不到拿手电筒者是否助跑了，但如果距离很远很远，以光年为单位，情况是否会有所不同呢？

在宇宙万物中，光是一个非常奇妙的东西，它为普通百姓驱走了黑暗，却将一代又一代物理学家送入黑暗的迷宫。那么在迷宫的出口，等待物理学家的是什么呢？

广袤宇宙的天体之间，距离非常大，其间所传递的信号，即便初始速度稍有差异，对于接受方来说，也会感受到巨大的时间差异。但应该的事并非是一定会发生的事。

中国的史籍中明确记载了一次超新星爆炸。那是在1054年，宋仁宗至和元年五月。当然宋人并不懂这叫超新星爆炸，但我们都懂，就是大个头的恒星在年老走向灭亡时，会回光返照，突然爆发，其亮度竟然可以和一个星系相媲美。据记载，在超新星爆炸的前二十三天中这颗超新星非常亮，甚至白天都能看到，随后逐渐变暗，亮光一共持续了二十二个月。

这里就有问题了，宋人观察到这个超新星爆炸，就是他们看到了超新星爆炸时所放出的光，有啥问题呢？大家想想，超新星一爆炸，其外围物质向四面八方飞散，这些向各个方向奔散的物质都在发光，这些光会陆陆续续到达地球，对吧？想象一个特殊方向，就是直接指向地球方向的爆炸物，它所发出的光相对于地球应该是什么速度？按照刚才的运动相对性原理，应该是光速加上爆炸物速度。假定爆炸物速度大约1500千米/秒，也就是说，宋人应该感受到最先到达开封的超新星爆炸光速是30万千米/秒加上1500千米/秒。估计有人不以为然了，你说这些有啥用啊，难道宋人能测量光速以及光速的变化吗？宋人能造火药，的确测不了光速。但是，我们再想一个特殊方向，超新星爆炸时，还有向地球相反方向奔逃的物质，而这些物质所发的光相对于地球的速度就应该是：30万千米/秒减去1500千米/秒，对吧？于是对于地球来说，这两个相反方向物质所发出的光的速度就应该有个差值，就是3000千米/秒。3000千米/秒的差值表面上不大，但是，这个超新星距离地球是5000光年，所以二者到达地球的时间就应该有一个非常明显的先后顺序。经过计算得知，大约是相差五十年到达地球，再加上奔向其他方向的物质所发的光，宋人应该在五十年内都能看到这个超新星爆炸，而不是只持续二十二个月。

5-2 若光速可变，那么地球观测到的就不止持续22个月

怎么解释宋人的记载呢？总不能说司天监与天文院的公务员都罢工了吧。似乎只能解释为，这个超新星爆炸发出的光与其光源的速度好像没有关系，各个奔向不同方向的光，还是以相对地球同样的速度奔向地球的。如此一来，运动的相对性不就完蛋了吗？光速不就成绝对的了吗？牛顿该怎么办，难道牛顿体系就此崩塌？

这里就不得不交代光本身是什么。我们中学都学过，牛顿认为光是微小粒子，所以一束光就是由很多微小的颗粒组成的，这能很好地解释反射和折射。但是光同时具有衍射和干涉作用，于是惠更斯等人主张光是一种波，就是“光的波动说”。双方争论到死也没分出胜负。

牛顿当时还对“波动说”不高兴，竟然挑战我牛顿！但正是“波动说”可以解释光速与光源速度无关的事实。什么意思？大家想一想，如果光的确是微粒，那光源在运动，微粒的速度应该叠加改变。但如果光是波的话，情况就完全不一样了。我是波，传播速度和光源没关系。君不见船在海面上行驶，会不断激起海波，这个海波向外传播时和船速就没有关系。

这里必须要讲讲什么是波。我们平时说的机械波就是真正的波，比如石头打到湖面，就产生了圆形的小波浪向外传播。但大家一定要清楚，中央的水并没有向外扩散，只是每一滴水作为质点在原地做上下振动，从而带动旁边的质点也跟着上下振动，不断地把这个振动带向远处。又比如说话发出的声波，声带先引起附近的空气质点左右振动，左右振动的质点又令旁边的质点振动，这样声音就带向远处了，但嘴里的那口空气并没有一起走。

这样说来，波的传播就需要媒介物，水、空气之类。你若在真空中发声，没人能听见，因为没有空气作为介质来为你的声音振动、传播。(www.daowen.com)

马上会有人提问：海波以海水为介质，向外传播，声波以空气为介质，向外传播。光在宇宙真空中传播，难道是不需要介质吗？这就是光的波动说的困境。如果光是微粒，那它在真空中无所阻碍，传播得才痛快呢，但如果光是波，在真空中无所依靠，无介质可振动，宋人怎么可能看见超新星爆炸呢？

大家想想，这会不会把物理学家难住了？这点碎碎的事情对物理学家来说就是五个字：那都不是事。他们反过来说，既然光波可以从真空中传过来，说明真空不空，有一种叫“以太”的物质充满整个宇宙，我们看不见、摸不着，它不产生任何阻力，专门就给光波当介质。这不一下子就解决了吗？物理学家牛啊。

但物理学毕竟是科学，科学的一个基本要求就是引入的任何物理量都要可以被观测，至少能被间接观测，否则不就成哲学、玄学或信仰了吗？况且这个假设的以太非常玄，它无处不在，充满宇宙，渗透在各种物质之中，完全透明，与任何物质都不发生作用，而且本身绝对静止。所以很难让人相信，世上有这么“妖”的东西存在。

但也有人觉得，绝对静止的以太不正好可以对应牛顿的绝对空间吗？于是，有实验物理学家立志要找到这个绝对静止的以太，彻底确立牛顿的绝对时空观，让牛顿的大厦建立在坚实的基础之上。

正是怀揣着这样的理想，迈克尔逊和莫雷设计了一个实验，决定验证以太假说，为以太找到存在的证据。但好心没干好事儿啊，直接把牛顿坑了。

这事发生在1887年，迈克尔逊和莫雷是这样想的：既然以太是绝对静止的，地球在自转，所以地球在绝对静止的以太中就在做绝对运动。那么地球上的观测者以一定速度相对于以太运动时，光波虽然在以太中速度一样，但相对于地球观测者就应该展现出一个不同的速度，用不同方向的光速差，反过来就可以推算出地球相对于以太的运动速度，从而证明以太的存在。

如果没太看懂，也别太介意，把握精神就行，就是用不同方向的光速差来反推以太相对于地球的速度。估计也有人觉得，这个道理太简单了，我要在那个时代也会这样想。这样想固然不难，但如何实现是非常困难的，迈克尔逊、莫雷主要是厉害在其实验的设计，而不是其实验的思想。

具体的实验设计我就不讲了，反正结果是没有发现地球相对以太的运动，仿佛地球和以太之间是相对静止的。

刚开始很多人不信，于是反复做这个实验，结果都一样。怎么解释这个实验结果？只有两条出路：

一是地球相对于以太的速度总会为零，以太会被拖曳。有人说那就让以太被地球拖曳呗，反正为了维护牛顿，咱就往上凑，拼了。让以太与地球一起动，但刚才交代了以太是绝对静止的，怎么调和？再拼一把，其实地球和以太同时都是绝对静止的，这不就得了。但这样很可怕，大家想想，地球自转的同时还在绕太阳公转，也就是说地球与全宇宙的其他星体都有相对运动，如果认为地球与以太同时绝对静止，就意味着全宇宙都在动，只有地球不动，那地球不就成了宇宙中心了吗？这样绕来绕去又返回到亚里士多德-托勒密的地心说了，这让哥白尼、布鲁诺情何以堪？这是绝对不能接受的。

还有一个解释就是，根本就没有以太。但若没有以太，光波何以传播呢？那就说明光不是波，就是牛顿所说的粒子。如果是粒子，为啥光的速度与光源的速度无关呢？为啥宋人看到的超新星爆炸维持那么短的时间？这把人逼疯了。

正当物理学家们愁云不展、走投无路之时，小青年爱因斯坦突然喊了一声“光速不变”，小爱的大胆也是基于洛伦兹变换原理。关于光速不变原理，在“黑洞与平行宇宙”的那一章讲过。坦率地说，这是不可理解的，不可理喻的。但为了让大家找回点儿感觉，这里再讲一遍。

所谓光速不变就是说，无论在任何惯性参照系下观测光的速度，它的数值都是一样的，每秒约30万千米。

各位，这是不可想象的。还是举那个例子，假设有一辆公交车在马路上匀速前进，时速50千米；某甲站在大街观测这个公交车，测得其时速是50千米；某乙骑着自行车与公交车同方向前进，自行车的时速是40千米，现在的问题是：某乙觉得公共汽车的速度是多少？50千米/小时减去40千米/小时，也就是说某乙感到汽车的时速是10千米。这就是刚才讲的速度合成。

但是，如果我们把刚才的公交车换成光的话，诡异的事情就出现了。大家都知道光速是每秒30万千米。路人甲测得光速是30万千米/秒，骑自行车的某乙如果与光同行的话，他应该觉得光速变慢了。但实际上，某乙感受的光速还是30万千米/秒。这是不可想象的啊，各位朋友，难道你的内心没有一点颤抖，你的血液没有荡起一点涟漪吗？

或许有人会说，是不是自行车速度太慢，所以感觉不出变化？我可以很负责任地告诉你，这个某乙就是把自行车骑到了每秒10万千米，他观测到的光速还是30万千米/秒。也就是说，不管选择什么惯性参照系，光的速度都是30万千米/秒。此时一定会有人说，如果我把自行车也骑到光的速度，也是每秒30万千米，那我看光是啥速度？遗憾的是，人不可能到达那个速度，凡是有静止质量的粒子都不可能达到光速，只有静止质量为零的粒子才能以光速行进。对此，这里不做展开。

但我们在此可以强行理解一下，要使得光速不变成立，必须要怎样才行。

还是回到某甲和某乙的例子。一辆公交车在马路上匀速前进，时速50千米；某甲站在大街上观测这个汽车，测得其时速是50千米，某乙骑着自行车，与汽车同方向前进，自行车的时速是40千米，所以某乙觉得公交车的速度是10千米。那我现在要反问大家，为什么某乙感觉的车速比某甲感受的要慢？我们追究一下什么叫速度，速度就是走过的距离除以所用的时间，当然我们考虑的都是匀速运动。某甲和某乙同时观察这辆汽车，而且也观察了同样的时间，所以对甲乙来说，作为分母的时间值是一样的，没有区别，但对于汽车走过距离的感受就很不一样。当大街上的某甲觉得公交车走了好长一段距离时，某乙并不觉得如此，因为他也在向前骑，觉得公交车没走多远距离。因为每个人的感受都是以自己为中心的，这样某乙所感受的公交车速度自然就显得慢。

5-3 以甲为参考系来看，公交车时速50千米

5-4 以乙为参考系来看，公交车时速40千米

这很好理解，但是，估计有人已经猜到了，现在我又要把公交车换成一束光。现在大家都知道，路边的某甲和自行车上的某乙感觉光速都是30万千米/秒，一丝一毫都不差，怎么理解？只能有一个解释，大家想想。

速度等于走过的距离除以所用的时间，这束光对某甲参照系和某乙参照系来说走过的距离不一样，但最后速度却一样，都是30万千米/秒，只能有一个解释，各位读者，你们胆子再大一些，再“二”一点。若有两个分数，分子不一样，但分数值一样，那只有一种可能，就是两者的分母也不一样。

5-5 将公交车换成光，无论以哪个参考系去看，都是一样的速度

分母是什么？分母是某甲和某乙观察公交车所用的时间，可我们刚才说了，某甲和某乙在同时观察这辆汽车，而且也观察了同等的时间，分母怎么能不一样呢？但它必须不一样，否则就解释不了光速不变，解释不了为何某甲和某乙对同一束光感受到完全一样的速度，解释不了迈克尔逊-莫雷实验。所以我们必须痛下决心，被迫接受这样的新观念：某甲和某乙所用的时间系统是不一样的，也就是说二者的手表出现差异了。虽然他俩用的是完全一样的手表或极度精密的铯原子钟。

有人肯定会问，到底谁的表变慢了呢？在甲、乙自己看来，自己的表都好好的，但都看对方的表变慢了。这就意味着，处于两个不同参照系的观测者，或者说处于不同空间的观测者，观测自己的时间与观测对方的时间是不一样的，地面上的人会觉得飞机上人的表慢了，这就意味着时间和空间已经不再互相独立，它俩会相互影响、相互耦合。

我们最后要下结论了，为了解释迈克尔逊-莫雷实验，为了解读宋仁宗时的超新星爆炸，洛伦兹不惜拼凑数学变换，爱因斯坦明确喊出光速不变，这导致牛顿体系中绝对的、均匀流逝的时间观念崩塌了，也导致空间与时间互不影响的理念崩塌了。

这样，牛顿的绝对时空观就寿终正寝了。