第4章
第二章空间和時間
我們现在關於物体运动的观念来自于伽利略和牛顿。在他们之前，人们相信亚裡士多德，他說物体的自然状态是静止的，并且只在受到力或冲击作用时才运动。這样，重的物体比轻的物体下落得更快，因为它受到更大的力将其拉向地球。
亚裡士多德的传统观点還以为，人们用纯粹思维可以找出制约宇宙的定律：不必要用观测去检验它。所以，伽利略是第一個想看看不同重量的物体是否确实以不同速度下落的人。据說，伽利略从比萨斜塔上将重物落下，从而证明了亚裡士多德的信念是错的。這故事几乎不可能是真的，但是伽利略的确做了一些等同的事——将不同重量的球从光滑的斜面上滚下。這情况类似于重物的垂直下落，只是因为速度小而更容易观察而已。伽利略的测量指出，不管物体的重量是多少，其速度增加的速率是一样的。例如，在一個沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上，你释放一個球，则1秒钟后球的速度为每秒1米，2秒钟后为每秒2米等等，而不管這個球有多重。当然，一個铅锤比一片羽毛下落得更快，那是因为空气对羽毛的阻力引起的。如果一個人释放两個不遭受任何空气阻力的物体，例如两個不同的铅锤，它们则以同样速度下降。航天员大卫·斯各特在月亮上进行了羽毛和铅锤实验。因为沒有空气阻碍东西下落。
伽利略的测量被牛顿用来作为他的运动定律的基础。在伽利略的实验中，当物体从斜坡上滚下时，它一直受到不变的外力（它的重量），其效应是它被恒定地加速。這表明，力的真正效应总是改变物体的速度，而不是像原先想像的那样，仅仅使之运动。同时，它還意味着，只要一個物体沒有受到外力，它就会以同样的速度保持直线运动。這個思想是第一次被牛顿在1687年出版的《数学原理》一书中明白地叙述出来，并被称为牛顿第一定律。物体受力时发生的现象则由牛顿第二定律所给出：物体被加速或改变其速度，其改变率与所受外力成比例。（例如，如果力加倍，则加速度也将加倍。）物体的质量（或物质的量）越大，则加速度越小，（以同样的力作用于具有两倍质量的物体则只产生一半的加速度。）小汽车可提供一個熟知的例子，发动机的功率越大，则加速度越大，但是小汽车越重，则对同样的发动机加速度越小。
除了他的运动定律，牛顿還发现了描述引力的定律：任何两個物体都相互吸引，其引力大小与每個物体的质量成正比。這样，如果其中一個物体（例如a）的质量加倍，则两個物体之间的引力加倍。這是你能预料得到的，因为新的物体a可看成两個具有原先质量的物体，每一個用原先的力来吸引物体b，所以a和b之间的总力加倍。其中一個物体质量大到原先的2倍，另一物体大到3倍，则引力就大到6倍。现在人们可以看到，何以落体总以同样的速率下降：具有2倍重量的物体受到将其拉下的2倍的引力，但它的质量也大到两倍。按照牛顿第二定律，這两個效应刚好互相抵消，所以在所有情形下加速度是同样的。
牛顿引力定律還告诉我們，物体之间的距离越远，则引力越小。牛顿引力定律讲，一個恒星的引力只是一個类似恒星在距离小一半时的引力的1/4。這個定律极其精确地预言了地球、月亮和其他行星的轨道。如果這定律变为恒星的万有引力随距离减小得比這還快，则行星轨道不再是椭圆的，它们就会以螺旋线的形状盘旋到太阳上去。如果引力减小得更慢，则远处恒星的引力将会超過地球的引力。
亚裡士多德和伽利略——牛顿观念的巨大差别在于，亚裡士多德相信存在一個优越的静止状态，任何沒有受到外力和冲击的物体都采取這种状态。特别是他以为地球是静止的。但是从牛顿定律引出，并不存在一個静止的唯一标准。人们可以讲，物体a静止而物体b以不变的速度相对于物体a运动，或物体b静止而物体a运动，這两种讲法是等价的。例如，我們暂时将地球的自转和它绕太阳的公转置之一旁，则可以讲地球是静止的，一列火车以每小时90英裡（1英裡=公裡）的速度向北前进，或火车是静止的，而地球以每小时90英裡（1英裡=公裡）的速度向南运动。如果一個人在火车上以运动的物体做实验，所有牛顿定律都成立。例如，在火车上打乓乒球，将会发现，正如在铁轨边上一张台桌上一样，乓乒球服从牛顿定律，所以无法得知是火车還是地球在运动。
缺乏静止的绝对的标准表明，人们不能决定在不同時間发生的两個事件是否发生在空间的同一位置。例如，假定在火车上我們的乓乒球直上直下地弹跳，在一秒钟前后两次撞到桌面上的同一处。在铁轨上的人来看，這两次弹跳发生在大约相距100米的不同的位置，因为在這两回弹跳的间隔時間裡，火车已在铁轨上走了這么远。這样，绝对静止的不存在意味着，不能像亚裡士多德相信的那样，给事件指定一個绝对的空间的位置。事件的位置以及它们之间的距离对于在火车上和铁轨上的人来讲是不同的，所以沒有理由以为一個人的处境比他人更优越。
牛顿对绝对位置或被称为绝对空间的不存在感到非常忧虑，因为這和他的绝对上帝的观念不一致。事实上，即使绝对空间的不存在被隐含在他的定律中，他也拒绝接受。因为這個非理性的信仰，他受到许多人的严厉批评，最有名的是贝克莱主教，他是一個相信所有的物质实体、空间和時間都是虚妄的哲学家。当人们将贝克莱的见解告诉著名的约翰逊博士时，他用脚尖踢到一块大石头上，并大声地說：“我要這样驳斥它！”
亚裡士多德和牛顿都相信绝对時間。也就是說，他们相信人们可以毫不含糊地测量两個事件之间的時間间隔，只要用好的钟，不管谁去测量，這個時間都是一样的。時間相对于空间是完全分开并独立的。這就是大部份人当作常识的观点。然而，我們必须改变這种關於空间和時間的观念。虽然這种显而易见的常识可以很好地对付运动甚慢的诸如苹果、行星的問題，但在处理以光速或接近光速运动的物体时却根本无效。
光以有限但非常高的速度传播的這一事实，由丹麦的天文学家欧尔·克裡斯琴森·罗麦于1676年第一次发现。他观察到，木星的月亮不是以等時間间隔从木星背后出来。不像如果月亮以不变速度绕木星运动时人们所预料的那样。当地球和木星都绕着太阳公转时，它们之间的距离在变化着。罗麦注意到我們离木星越远则木星的月食出现得越晚。他的论点是，因为当我們离开更远时，光从木星月亮那儿要花更长的時間才能达到我們這儿。然而，他测量到的木星到地球的距离变化不是非常准确，所以他的光速的数值为每秒140000英裡（1英裡=公裡），而现在的值为每秒186000英裡（1英裡=公裡）。尽管如此，罗麦不仅证明了光以有限速度运动，并且测量了光速，他的成就是卓越的——要知道，這一切都是在牛顿发表《数学原理》之前11年进行的。
直到1865年，当英国的物理学家詹姆士·麦克斯韦成功地将当时用以描述电力和磁力的部分理论统一起来以后，才有了光传播的真正的理论。麦克斯韦方程预言，在合并的电磁场中可以存在波动的微扰，它们以固定的速度，正如池塘水面上的涟漪那样运动。如果這些波的波长（两個波峰之间的距离）为1米或更长一些，這就是我們所谓的无线电波。更短波长的波被称做微波（几個厘米）或红外线（长于万分之1厘米）。可见光的波长在100万分之40到100万分之80厘米之间。更短的波长被称为紫外线、x射线和伽玛射线。
麦克斯韦理论预言，无线电波或光波应以某一固定的速度运动。但是牛顿理论已经摆脱了绝对静止的观念，所以如果假定光是以固定的速度传播，人们必须說清這固定的速度是相对于何物来测量的。這样人们提出，甚至在“真空”中也存在着一种无所不在的称为“以太”的物体。正如声波在空气中一样，光波应该通過這以太传播，所以光速应是相对于以太而言。相对于以太运动的不同观察者，应看到光以不同的速度冲他们而来，但是光对以太的速度是不变的。特别是当地球穿過以太绕太阳公转时，在地球通過以太运动的方向测量的光速（当我們对光源运动时）应该大于在与运动垂直方向测量的光速（当我們不对光源运动时）。1887年，阿尔贝特·麦克尔逊（后来成为美国第一個物理诺贝尔奖获得者）和爱德华·莫雷在克裡夫兰的卡思应用科学学校进行了非常仔细的实验。他们将在地球运动方向以及垂直于此方向的光速进行比较，使他们大为惊奇的是，他们发现這两個光速完全一样！
在1887年到1905年之间，人们曾经好几次企图去解释麦克尔逊——莫雷实验。最著名者为荷兰物理学家亨得利克·罗洛兹，他是依据相对于以太运动的物体的收缩和钟变慢的机制。然而，一位迄至当时還不知名的瑞士专利局的职员阿尔贝特·爱因斯坦，在1905年的一篇著名的论文中指出，只要人们愿意抛弃绝对時間的观念的话，整個以太的观念则是多余的。
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