科普時間：1.1 亞里斯多德的時空觀

時空 觀

有一些物理概念是很平凡的。但平凡的概念卻往往不是簡單的。

比如，「今天早上八點鐘我在家裡開始看書」，這是一句很普通的話。然而，其中已經涉及兩個最基本的概念。「今天早上八點鐘」，是表示時間；「在家裡」，是地點，也就是空間位置。時間和空間可以說是最常用、最平凡的概念了。可是，若問：究竟什麼是時間，什麼是空間？卻又不容易找到恰當的答案。是的，這是兩個很難回答的問題。儘管有不少人都曾給時空下過這樣或那樣的定義。不過，很少是能令人十分滿意的。

在討論物理學問題的時候，一種正確的方法可能並不是從概念的「嚴格」定義出發，而是從分析各種概念之間的具體關係入手。因此，對於時間和空間這兩個基本概念來說，重要的問題並不在於它們的「純粹」定義，而是它們之間的

關係，以及它們與物質運動的種種聯繫。

還是用上面那句話為例子。「早上八點」這個時間是以你手上的表或家裡的鐘作為標準的。更正確地說，是採用北京時間。顯然，這個表述是相對的，如果東京時間，它就是九點，而不是八點。這就是時間表述上的一種相對性，也就是時間的一種屬性。

如果有另外一個人，他說：「哈！我今天也是從早上八點鐘開始看書的」，我們立即得到一個結論：這兩個人是同時，即同在北京時間八點鐘開始讀書的。按照「常識」，我們一定會認為，「同時」這個性質是絕對的，而不是相對的。也就是說，如果有兩件事，按照一種鍾（例如北京時間）來計時，它們是同時發生的，那麼，按照其它任何鐘來計時，它們也必定是同時發生的。其實，這個習慣性的論斷並不是完全正確的。上述兩個人，同時開始看書這一點儘管按照北京時間或者東京時間來說都是正確的，然而，對一個正在高速飛行的觀察者來說，當他用他的鐘來計時，卻發現，這兩個人並不是「同時」開始看書的。同時性並不是絕對的，而也是相對的：對一個觀察者來說是同時的兩件事，對另一個觀察者來說卻可以是不同時的。這個「違背」習慣的結論就是愛因斯坦的相對論時空觀與伽利略、牛頓的經典力學時空觀的一個重要區別。

所謂時空觀，就是有關時間和空間的物理性質的認識。時空觀同自然科學的發展是密切相關的。科學上的重大變革往往伴隨著新時空觀的產生。甚至，在一定意義下可以反過來說，時空觀的變革才是科學上大變革的基本標誌。因此，如果我們要想了解在人類的認識史上從亞里士多德到牛頓，又從牛頓到愛因斯坦幾次重大的進展，我們首先就應當了解他們各自的時空觀。

亞里士多德的宇宙中心

在歐洲，直到中世紀為止，亞里士多德的時空觀大體佔據主導地位。在亞里士多德的理論體系中，地球位於整個宇宙的中心。整個宇宙由環繞著地球的七個同心球殼組成。月亮、太陽、行星和恆星分別處在不同的球殼上。它們都作完美的圓運動。今天，已經很少有人再相信這種宇宙結構圖了。的確，用今天已有的知識去批評亞里士多德，是很容易的事。然而，昨天終歸不是今天。在兩千多年以前，亞里士多德就敢於對宇宙給出一個統一的解釋，敢於主張地球是一個球形，不能不承認那是人類認識上的一次大飛躍。因為，在遠古人的觀念中，大地是平坦的，它被安置在一隻龜背上，而龜又漂浮於大海之中（見圖）。怎麼能想像地球是一個球體呢？

按照當時「習慣」的想法會認為：那些居住在我們的對蹠點上的人不是早就「掉下」去了嗎？可見。樹立球形的地球觀念需要克服相當大的成見所帶來的阻力。從時空觀的角度來評價，可以說，亞里士多德的時空觀是把「上」和「下」這兩個方向相對化了。我們看對蹠點的人在「下」。對蹠點的人看我們也是在「下」。也就是空間各個方向是等價的，沒有一個方向是具有特別的絕對優越的性質。這就是空間方向上的相對性，提出這個觀念，是人類走向科學時空觀的重要一步。

在亞里士多德的體系中，物體在宇宙中的位置具有關鍵的作用。空間的位置是絕對的，地球的球心就是宇宙的中心。每個物體都有各自的天然位置，只要沒有阻擋，每個物體都力圖到達各自的天然位置。物體之所以會運動，其原因就是它們還沒有到達自己的天然位置。亞里士多德把宇宙空間分為「月上」（比月球遠）和「月下」（比月球近）兩個完全不同的世界。太陽、月亮、星星等「天上」的東西的天然位置是在天球上，因而它們隨著天球作圓運動。地面附近的物體的天然位置是在地球的中心，因此它們都作落體運動。這樣，在亞里士多德的時空觀里，某些位置（例如地球的球心）是非常特殊的。在支配物體運動的自然規律中，這些空間點具有決定性的作用。這種特性，可以叫做空間點的絕對性。用今天的語言來說，亞里士多德的空間，具有各向同性的性質，但卻是不均勻的，即空間各點的位置並不是等價的。

（下一篇，牛頓時空觀中的相對與絕對）

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