Page 7 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

绝对运动的定义，相对运动和绝对运动并无本质上的区别，仅仅只是参考系不同而已。相对
运动是一个物体相对于另一物体的运动，绝对运动则是物体相对于绝对空间的运动，从这种
意义上来说，即使绝对运动也是“相对的”。但问题的核心是，绝对空间究竟在哪里？地球
显然不是一个严格的惯性系，因为地球有自转和绕太阳运动。太阳系绕银河系中心运动，也
不是一个精确的惯性系。牛顿假设，宇宙的中心是不动的，那么固联在宇宙中心物体上的参
考系就是一个优越的惯性系，相对于这个参考系的运动就是绝对运动，这个参考系就是他所
设想的绝对空间。牛顿承认，区分特定物体的绝对运动和相对运动并非易事，因为我们不能
观察到绝对空间中物体的位置，我们所能观察到的只是物体相对于其他物体的位置。但牛顿
相信，绝对空间和绝对运动都是存在的，为此，他提出了著名的“水桶实验”来论证绝对空
间的存在。我们从旋转水桶实验中可以观察到，无论水桶中的水和桶之间有无相对运动，水
面都可保持凹下状态，据此，牛顿得出结论：桶和水的相对运动不是水面凹下的原因，这个
现象的根本原因是水相对于绝对空间做绝对运动的加速度。他认为，尽管一个物体在绝对空
间中的位置和它相对于绝对空间的速度不能被觉察到，但说出一个物体相对于绝对空间何时
在加速却是可能的。当水桶中的水旋转时，根据定义它就在加速，隆起的水面恰恰就是所谓
“惯性效应”（由加速度产生的效应）的一个例子。
牛顿的论证看似有力，但不能完全说服人。他当时清楚地意识到，要给惯性原理一个确
切的意义，就必须把空间作为独立于物体惯性行为之外的原因引进来。对此，“牛顿自己和
他同时代的最有批判眼光的人都是感到不安的”，但除此之外似乎没有别的办法。牛顿通过
引进绝对空间和绝对时间，为他的力学体系建立了一个“可靠的”参考系即绝对静止的参考
系，在此基础上提出了力学运动三定律和万有引力定律，第一次把力学确立为完整、严密、
系统的学科，建立起宏伟壮丽的力学大厦，成为近代天文学、物理学和机械、建筑等工程技
术发展的基础。尽管绝对空间的概念当时曾受到惠更斯(C.Huygens)、莱布尼茨(G.W.Leibniz)
等人的强烈质疑，但由于牛顿力学的巨大成就，200 余年中一直为人们普遍接受。
绝对空间的概念后来因为引入了“光以太”而得到了“物质上”的充实。牛顿最初设想
的绝对空间是空无一物的“虚空”。十七世纪后为解释光在真空中的传播，笛卡儿(R.Descartes)
和惠更斯等人复活了古希腊哲学家亚里士多德（Aristoteles）的“以太”概念，提出空间充
满了“以太”这种物质。当时认为光是一种机械的弹性波，由于这类波的传播必须有某种弹
性媒质作为媒介（如声波的传播要有空气或水等作为媒介），而光却可以通过真空传播，所
以必须假设真空中存在一种尚未为实验发现的以太作为传播光的媒质。为了解释光在传播中
的各种性质，必须认为以太是无所不在的（包括真空和任何物质内部），没有质量的，而且
是“绝对静止”的。这样一来，牛顿的绝对空间就有了物质内容，以太在这里成为物化了的
绝对空间，而物体相对于静止以太的运动就是它的绝对运动。十九世纪六十年代，英国物理
学家麦克斯韦(J.C.Maxwell)创立了统一的电磁场理论，他推算了电磁波的传播速度，发现与
光速十分接近，于是提出了光的电磁波理论，指出“光本身是以波动形式在电磁场中按电磁
波规律传播的一种电磁振动”。按照麦克斯韦电磁场方程，光速是一个常数，那么这个光速
是相对于哪一个参考系的速度呢？麦克斯韦认为这个光速是对以太而言的。以洛仑兹
(H.A.Lorentz)为首的物理学家更加明确地提出，这个光速只对绝对静止的以太参考系成立，
认为“以太系”就是麦克斯韦方程组得以成立的“绝对参考系”。在这个绝对静止的以太系
中测得的光速与在其它不同惯性参考系中测得的光速应该是不同的。其他惯性系的观察者所
测量到的光速，应该是以太系光速与这个观察者在以太系的速度的矢量和。如果能够通过实
验在不同的惯性参考系中测出不同的光速，就可以判定这些惯性参考系相对于以太的运动速
度，亦即它们的绝对运动速度。
在这种思想的指导下，十九世纪中后期出现了测量“以太风”的热潮。一些物理学家希
望在地面实验室通过光的干涉效应测量不同方向上光速的差异，以此测定地球在绝对静止的

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