第二章 空间和时间 37 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。)小汽车可提供一个熟知的 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，牛顿还发现了描述引力的定 律：任何两个物体都相互吸引，其引力大小与每个物 体的质量成正比。这样，如果其中一个物体（例如A) 的质量加倍，则两个物体之间的引力加倍。这是你能 预料得到的，因为新的物体A可看成两个具有原先质 量的物体，每一个用原先的力来吸引物体B,所以A 和B之间的总力加倍。其中一个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，这两个效应刚 好互相抵消，所以在所有情形下加速度是同样的。 牛顿引力定律还告诉我们，物体之间的距离越远， 则引力越小。牛顿引力定律讲，一个恒星的引力只是 一个类似恒星在距离小一半时的引力的4分之1。这
/第二章 空间和时间 | 37 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。）小汽车可提供一个熟知的 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，牛顿还发现了描述引力的定 律：任何两个物体都相互吸引，其引力大小与每个物 体的质量成正比。这样，如果其中一个物体（例如 A） 的质量加倍，则两个物体之间的引力加倍。这是你能 预料得到的，因为新的物体 A 可看成两个具有原先质 量的物体，每一个用原先的力来吸引物体 B，所以 A 和 B 之间的总力加倍。其中一个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，这两个效应刚 好互相抵消，所以在所有情形下加速度是同样的。 牛顿引力定律还告诉我们，物体之间的距离越远， 则引力越小。牛顿引力定律讲，一个恒星的引力只是 一个类似恒星在距离小一半时的引力的 4 分之 1。这
38 〔英]史蒂芬霍金：时间简史 个定律极其精确地预言了地球、月亮和其他行星的轨 道。如果这定律变为恒星的万有引力随距离减小得比 这还快，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过地球的引力。 亚里士多德和伽利略一牛颜观念的巨大差别在 于，亚里士多德相信存在一个优越的静止状态，任何 没有受到外力和冲击的物体都采取这种状态。特别是 他以为地球是静止的。但是从牛顿定律引出，并不存 在一个静止的唯一标准。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，这两种讲法是等价的。例如，我们 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英哩的速度 向北前进，或火车是静止的，而地球以每小时90英哩 的速度向南运动。如果一个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还是地球 在运动
38 | 〔英〕史蒂芬•霍金：时间简史 个定律极其精确地预言了地球、月亮和其他行星的轨 第 道。如果这定律变为恒星的万有引力随距离减小得比 这还快，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过地球的引力。 亚里士多德和伽利略——牛顿观念的巨大差别在 于，亚里士多德相信存在一个优越的静止状态，任何 没有受到外力和冲击的物体都采取这种状态。特别是 他以为地球是静止的。但是从牛顿定律引出，并不存 在一个静止的唯一标准。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，这两种讲法是等价的。例如，我们 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 英哩的速度 向北前进，或火车是静止的，而地球以每小时 90 英哩 的速度向南运动。如果一个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还是地球 在运动
第二章 空间和时间 139 缺乏静止的绝对的标准表明，人们不能决定在不 同时间发生的两个事件是否发生在空间的同一位置。 例如，假定在火车上我们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，这两次弹跳发生在大约相距100米的不同的 位置，因为在这两回弹跳的间隔时间里，火车已在铁 轨上走了这么远。这样，绝对静止的不存在意味着， 不能像亚里士多德相信的那样，给事件指定一个绝对 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，所以没有理由 以为一个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，因为这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。因为这个非理性的信仰，他受到许多 人的严厉批评，最有名的是贝克莱主教，他是一个相 信所有的物质实体、空间和时间都是虚妄的哲学家。 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，并大声地说：“我要这样驳 斥它！
/第二章 空间和时间 | 39 缺乏静止的绝对的标准表明，人们不能决定在不 同时间发生的两个事件是否发生在空间的同一位置。 例如，假定在火车上我们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，这两次弹跳发生在大约相距 100 米的不同的 位置，因为在这两回弹跳的间隔时间里，火车已在铁 轨上走了这么远。这样，绝对静止的不存在意味着， 不能像亚里士多德相信的那样，给事件指定一个绝对 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，所以没有理由 以为一个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，因为这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。因为这个非理性的信仰，他受到许多 人的严厉批评，最有名的是贝克莱主教，他是一个相 信所有的物质实体、空间和时间都是虚妄的哲学家。 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，并大声地说：“我要这样驳 斥它！
40 〔英]史蒂芬霍金：时间简史 亚里士多德和牛顿都相信绝对时间。也就是说， 他们相信人们可以毫不含糊地测量两个事件之间的时 间间隔，只要用好的钟，不管谁去测量，这个时间都 是一样的。时间相对于空间是完全分开并独立的。这 就是大部份人当作常识的观点。然而，我们必须改变 这种关于空间和时间的观念。虽然这种显而易见的常 识可以很好地对付运动甚慢的诸如苹果、行星的问题， 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这一事实，由丹 麦的天文学家欧尔·克里斯琴森·罗麦于1676年第一 次发现。他观察到，木星的月亮不是以等时间间隔从 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。罗麦注意到我们离木 星越’远则木星的月食出现得越晚。他的论点是，因 为当我们离开更远时，光从木星月亮那儿要花更长的 时间才能达到我们这儿。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14英哩，而现在的值为每秒186000英哩。尽管
40 | 〔英〕史蒂芬•霍金：时间简史 第 亚里士多德和牛顿都相信绝对时间。也就是说， 他们相信人们可以毫不含糊地测量两个事件之间的时 间间隔，只要用好的钟，不管谁去测量，这个时间都 是一样的。时间相对于空间是完全分开并独立的。这 就是大部份人当作常识的观点。然而，我们必须改变 这种关于空间和时间的观念。虽然这种显而易见的常 识可以很好地对付运动甚慢的诸如苹果、行星的问题， 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这一事实，由丹 麦的天文学家欧尔·克里斯琴森·罗麦于 1676 年第一 次发现。他观察到，木星的月亮不是以等时间间隔从 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。罗麦注意到我们离木 星越’远则木星的月食出现得越晚。他的论点是，因 为当我们离开更远时，光从木星月亮那儿要花更长的 时间才能达到我们这儿。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 14 英哩，而现在的值为每秒 186000 英哩。尽管
/第二章空间和时间 如此，罗麦不仅证明了光以有限速度运动，并且测量 了光速，他的成就是卓越的一要知道，这一切都是 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·马克斯 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。马克斯韦方 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。 如果这些波的波长（两个波峰之间的距离）为1米或 更长一些，这就是我们所谓的无线电波。更短波长的 波被称做微波（几个厘米）或红外线（长于万分之一 厘米)。可见光的波长在百万分之40到百万分之80厘 米之间。更短的波长被称为紫外线、X射线和加玛射 线。 马克斯韦理论预言，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 须说清这固定的速度是相对于何物来测量的。这样人 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
/第二章 空间和时间 | 41 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，这一切都是 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·马克斯 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。马克斯韦方 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。 如果这些波的波长（两个波峰之间的距离）为 1 米或 更长一些，这就是我们所谓的无线电波。更短波长的 波被称做微波（几个厘米）或红外线（长于万分之一 厘米）。可见光的波长在百万分之 40 到百万分之 80 厘 米之间。更短的波长被称为紫外线、X 射线和伽玛射 线。 马克斯韦理论预言，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 须说清这固定的速度是相对于何物来测量的。这样人 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