我們現(xiàn)在關(guān)于物體運(yùn)動(dòng)的觀念來(lái)自于伽利略和牛頓。
在他們之前，人們相信亞里士多德，他說(shuō)物體的自然狀態(tài)是靜止的，并且只有在受到力或沖擊的推動(dòng)時(shí)才運(yùn)動(dòng)。這樣，重的物體比輕的物體下落得更快，因?yàn)樗艿礁蟮膶⑵淅虻厍虻牧Α?/p>
亞里士多德的傳統(tǒng)觀點(diǎn)還以為，人們依靠純粹思維即可以找出所有制約宇宙的定律：不必要用觀測(cè)去檢驗(yàn)之。
這樣，在伽利略之前，沒(méi)有一個(gè)人想看看不同重量的物體是否確實(shí)以不同速度下落。據(jù)說(shuō)，伽利略從比薩斜塔上將重物落下，從而證明了亞里士多德的信念是錯(cuò)的。這故事幾乎不足以信，但是伽利略的確做了一些等效的事——讓不同重量的球沿光滑的斜面上滾下。這情況類(lèi)似于重物的垂直下落，只是因?yàn)樗俣刃《菀子^察而已。伽利略的測(cè)量指出，不管物體的重量多少，其速度增加的速率是一樣的。例如，你在一個(gè)沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上釋放1個(gè)球，則1秒鐘后球的速度為每秒1米，2秒鐘后為每秒2米，等等，而不管這個(gè)球多重。當(dāng)然，一個(gè)鉛錘比一片羽毛下落得更快些，那只是因?yàn)榭諝庾枇⒂鹈乃俣冉档汀Ｈ绻粋€(gè)人釋放兩個(gè)不受任何空氣阻力的物體，例如兩個(gè)不同的鉛錘，它們則以同樣速度下降。在沒(méi)有空氣阻礙東西下落的月球上，航天員大衛(wèi)，斯各特進(jìn)行了羽毛和鉛錘實(shí)驗(yàn)，并且發(fā)現(xiàn)兩者確實(shí)同時(shí)落到月面上。
牛頓把伽利略的測(cè)量當(dāng)做他的運(yùn)動(dòng)定律的基礎(chǔ)。在伽利略的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)物體從斜坡上滾下時(shí)，它一直受到不變外力（它的重量）的作用，其效應(yīng)是使它恒定地加速。
這表明，力的真正效應(yīng)總是改變物體的速度，而不是像原先想像的那樣，僅僅使之運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，它還意味著，只要物體沒(méi)有受到外力，它就會(huì)以同樣的速度保持直線運(yùn)動(dòng)。
這一思想首次在牛頓于1687年出版的《數(shù)學(xué)原理》（即《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，下同——編者注）一書(shū)中明白地陳述出來(lái)，并被稱(chēng)為牛頓第一定律。牛頓第二定律給出物體在受力時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象：物體在被加速或改變其速度時(shí)，其改變率與所受的外力成比例。（例如，如果力加倍，則加速度也將加倍。）物體的質(zhì)量（或物質(zhì)的量）越大，則加速度越小（以同樣的力作用于具有兩倍質(zhì)量的物體時(shí)只產(chǎn)生一半的加速度）。小汽車(chē)可提供一個(gè)熟知的例子，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率越大，則加速度越大，但是小汽車(chē)越重，則對(duì)于同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)，則加速度越小。除了他的運(yùn)動(dòng)定律，牛頓還發(fā)現(xiàn)了描述引力的定律：任何兩個(gè)物體都相互吸引，其引力大小與每個(gè)物體的質(zhì)量成比例。于是，如果其中一個(gè)物體（例如A）的質(zhì)量加倍，則兩個(gè)物體之間的引力加倍。這是你能預(yù)料得到的，因?yàn)樾碌奈矬wA可看成兩個(gè)具有原先質(zhì)量的物體，每一個(gè)用原先的力來(lái)吸引物體B，所以A和B之間的總力加倍。而如果，比如說(shuō)，其中一個(gè)物體質(zhì)量大到原先的2倍，另一物體大到3倍，則引力就大到6倍。現(xiàn)在人們可以看到，為何落體總以同樣的速率下降：具有兩倍重量的物體受到將其向下拉的兩倍的引力，但它的質(zhì)量也大到兩倍。按照牛頓第二定律，這兩個(gè)效應(yīng)剛好相互抵消，所以在所有情形下加速度都是相同的。
牛頓引力定律還告訴我們，物體之間的距離越遠(yuǎn)，則引力越小。牛頓引力定律講，一個(gè)恒星的引力只是一個(gè)類(lèi)似恒星在距離小一半時(shí)的引力的1/4。這個(gè)定律極其精確地預(yù)言了地球、月亮和其他行星的軌道。如果這定律中恒星的萬(wàn)有引力隨距離減小或者增大得快一些，則行星軌道不再是橢圓的了，它們就會(huì)以螺旋線的形狀要么盤(pán)旋到太陽(yáng)上去，要么從太陽(yáng)逃逸。
亞里士多德和伽利略-牛頓觀念的巨大差別在于，亞里士多德相信一個(gè)優(yōu)越的靜止?fàn)顟B(tài)，任何沒(méi)有受到外力和沖擊的物體都取這種狀態(tài)。特別是他以為地球是靜止的。
但是從牛頓定律可以推斷，并不存在惟一的靜止標(biāo)準(zhǔn)。人們可以講，物體A靜止而物體B以不變的速度相對(duì)于物體A運(yùn)動(dòng)，或物體B靜止而物體A運(yùn)動(dòng)，這兩種講法是等價(jià)的。例如，我們暫時(shí)不理睬地球的自轉(zhuǎn)和它圍繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)，則可以講地球是靜止的，一輛有軌電車(chē)以每小時(shí)30英里的速度向東運(yùn)動(dòng)，或有軌電車(chē)是靜止的，而地球以每小時(shí)30英里的速度向西運(yùn)動(dòng)。如果一個(gè)人在有軌電車(chē)上做運(yùn)動(dòng)物體的實(shí)驗(yàn)，所有牛頓定律仍然都成立。例如，在有軌電車(chē)上打乒乓球，人們將會(huì)發(fā)現(xiàn)，正如在鐵軌旁一張臺(tái)桌上的球一樣，乒乓球服從牛頓定律，所以無(wú)法得知究竟是火車(chē)還是地球在運(yùn)動(dòng)。
缺乏靜止的絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)意味著，人們不能確定，在不同時(shí)間發(fā)生的兩個(gè)事件是否發(fā)生在空間的相同位置上。例如，假定在有軌電車(chē)上我們的乒乓球直上直下地彈跳，在1秒鐘前后兩次撞到桌面上的同一處。在鐵軌上的人來(lái)看，這兩次彈跳似乎發(fā)生在大約相距13米的不同的位置上，因?yàn)樵谶@兩回彈跳的時(shí)間間隔里，有軌電車(chē)已在鐵軌上走了這么遠(yuǎn)。
這樣，不存在絕對(duì)靜止意味著不能像亞里士多德相信的那樣，給事件指定一個(gè)絕對(duì)的空間位置。事件的位置以及它們之間的距離對(duì)于在有軌電車(chē)上和鐵軌上的人來(lái)講是不同的，所以沒(méi)有理由以為一個(gè)人的立場(chǎng)比別人的更優(yōu)越。
牛頓對(duì)不存在絕對(duì)位置或所謂絕對(duì)空間非常憂慮，因?yàn)檫@和他的絕對(duì)上帝的觀念不一致。事實(shí)上，即使他的定律隱含著絕對(duì)空間的不存在，他也拒絕接受。因?yàn)檫@個(gè)非理性的信仰，他受到許多人的嚴(yán)厲批評(píng)，其中最有名的是貝克萊主教。他是一個(gè)相信所有的物質(zhì)實(shí)體、空間和時(shí)間都是虛妄的哲學(xué)家。當(dāng)人們將貝克萊的見(jiàn)解告訴著名的約翰遜博士時(shí)，他用腳趾踢到一塊大石頭上，并大叫道：
“我要這樣駁斥它！”
亞里士多德和牛頓都相信絕對(duì)時(shí)間。也就是說(shuō)，他們相信人們可以毫不含糊地測(cè)量?jī)蓚€(gè)事件之間的時(shí)間間隔，只要用好的鐘，不管誰(shuí)去測(cè)量，這個(gè)時(shí)間都是一樣的。時(shí)間相對(duì)于空間是完全分離并且獨(dú)立的。這就是大部分人當(dāng)作常識(shí)的觀點(diǎn)。然而，我們必須改變這種關(guān)于空間和時(shí)間的觀念。雖然這種顯而易見(jiàn)的常識(shí)可以很好地對(duì)付運(yùn)動(dòng)甚慢的諸如蘋(píng)果、行星的問(wèn)題，但在處理以光速或接近光速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)卻根本無(wú)效。
1676年，丹麥的天文學(xué)家歐爾·克里斯琴森·羅默第一次發(fā)現(xiàn)了，光以有限但非常高的速度旅行的事實(shí)。他觀察到，木星的衛(wèi)星不是以等時(shí)間間隔從木星背后出來(lái)，不像如果衛(wèi)星以不變速度圍繞木星運(yùn)動(dòng)時(shí)，人們會(huì)預(yù)料的那樣。當(dāng)?shù)厍蚝湍拘嵌紘@著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，它們之間的距離在變化著。羅默注意到，我們離木星越遠(yuǎn)則木星的月食出現(xiàn)得越晚。他論證道，因?yàn)楫?dāng)我們離開(kāi)更遠(yuǎn)時(shí)，光從木星衛(wèi)星那里要花更長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到我們這里。然而，他測(cè)得的木星到地球的距離變化不是非常準(zhǔn)確，與現(xiàn)在的每秒186000英里的值相比較，那么他所測(cè)的光速的數(shù)值為每秒140000英里。盡管如此，羅默不僅證明了光以有限速度行進(jìn)，并且測(cè)量了那個(gè)速度，他的成就是卓越的——要知道，這一切都是在牛頓發(fā)表《數(shù)學(xué)原理》之前11年做出的。
直到1865年，當(dāng)英國(guó)的物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋成功地將直到當(dāng)時(shí)用以描述電力和磁力的部分理論統(tǒng)一起來(lái)以后，才有了光傳播的正確的理論。麥克斯韋方程預(yù)言，在合并的電磁場(chǎng)中可以存在波動(dòng)的微擾，它們以固定的速度，正如池塘水面上的漣漪那樣行進(jìn)。如果這些波的波長(zhǎng)（兩個(gè)相鄰波峰之間的距離）為1米或更長(zhǎng)一些，它們就是我們所謂的射電波。更短波長(zhǎng)的波稱(chēng)做微波（幾厘米）或紅外線（長(zhǎng)于萬(wàn)分之一厘米）。可見(jiàn)光的波長(zhǎng)在一百萬(wàn)分之四十至一百萬(wàn)分之八十厘米之間。更短的波長(zhǎng)被稱(chēng)為紫外線、X射線和伽馬射線。
麥克斯韋理論預(yù)言，射電波或光波應(yīng)以某一固定的速度行進(jìn)。但是牛頓理論已經(jīng)擺脫了絕對(duì)靜止的觀念，所以如果假定光以固定的速度行進(jìn)，人們就必須說(shuō)清這固定的速度是相對(duì)于何物來(lái)測(cè)量的。因此有人提出，存在著一種無(wú)所不在的稱(chēng)為“以太”的物質(zhì)，甚至在“真空的”空間中也是如此。正如聲波在空氣中行進(jìn)一樣，光波應(yīng)該通過(guò)以太行進(jìn)，所以它們的速度應(yīng)是相對(duì)于以太而言的。相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的不同觀察者，會(huì)看到光以不同的速度沖他們而來(lái)，但是光對(duì)以太的速度保持不變。特別是當(dāng)?shù)厍蛟谒鼑@太陽(yáng)的軌道穿過(guò)以太時(shí)，在地球通過(guò)以太運(yùn)動(dòng)的方向測(cè)量的光速（當(dāng)我們對(duì)光源運(yùn)動(dòng)時(shí)）應(yīng)該大于在與運(yùn)動(dòng)垂直方向測(cè)量的光速（當(dāng)我們不對(duì)光源運(yùn)動(dòng)時(shí)）。1887年，阿爾伯特·邁克耳孫（他后來(lái)成為美國(guó)第一位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）和愛(ài)德華·莫雷在克里夫蘭的凱思應(yīng)用科學(xué)學(xué)校進(jìn)行了一個(gè)非常仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)。他們將沿地球運(yùn)動(dòng)方向以及垂直于此方向的光速進(jìn)行比較。使他們大為驚奇的是，他們發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)光速完全一樣！
在1887年至1905年之間，最著名者為荷蘭物理學(xué)家亨得利克·洛倫茲做出的。然而，一位迄至當(dāng)時(shí)還默默無(wú)名的瑞士專(zhuān)利局的職員阿爾伯特·愛(ài)因斯坦，在1905年的一篇著名的論文中指出，只要人們?cè)敢鈷仐壗^對(duì)時(shí)間觀念的話，整個(gè)以太的觀念則是多余的。幾個(gè)星期之后，法國(guó)第一流的數(shù)學(xué)家亨利·龐加萊也提出類(lèi)似的觀點(diǎn)。愛(ài)因斯坦的論證比龐加萊的論證更接近物理，后者將其考慮為數(shù)學(xué)問(wèn)題。通常這個(gè)新理論歸功于愛(ài)因斯坦，但人們不會(huì)忘記龐加萊的名字在其中起了重要的作用。
這個(gè)被稱(chēng)為相對(duì)論的基本假設(shè)是，不管觀察者以任何速度作自由運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于他們而言，科學(xué)定律都應(yīng)該是一樣的。這對(duì)于牛頓的運(yùn)動(dòng)定律當(dāng)然是對(duì)的，但是現(xiàn)在這個(gè)觀念被擴(kuò)展到包括麥克斯韋理論和光速：不管觀察者運(yùn)動(dòng)多快，他們應(yīng)測(cè)量到一樣的光速。這簡(jiǎn)單的觀念有一些非凡的結(jié)論。可能最著名者莫過(guò)于質(zhì)量和能量的等價(jià)，這可用愛(ài)因斯坦著名的方程E=mc2來(lái)表達(dá)（E是能量，m是質(zhì)量，c是光速），以及沒(méi)有任何東西可能行進(jìn)得比光還快的定律。由于能量和質(zhì)量的等價(jià)，物體由于它的運(yùn)動(dòng)具有的能量應(yīng)該加到它的質(zhì)量上去。換言之，要加速它將更為困難。這個(gè)效應(yīng)只有當(dāng)物體以接近于光速的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)才有實(shí)際的意義。例如，以10%光速運(yùn)動(dòng)的物體的質(zhì)量只比原先增加了0.5%，而以90%光速運(yùn)動(dòng)的物體，其質(zhì)量變得比正常質(zhì)量的2倍還多。當(dāng)一個(gè)物體接近光速時(shí)，它的質(zhì)量上升得越來(lái)越快，這樣它需要越來(lái)越多的能量才能進(jìn)一步加速上去。實(shí)際上它永遠(yuǎn)不可能達(dá)到光速，因?yàn)槟菚r(shí)質(zhì)量會(huì)變成無(wú)限大，而根據(jù)質(zhì)量能量等價(jià)原理，這就需要無(wú)限大的能量才能做到。由于這個(gè)原因，相對(duì)論限制了物體運(yùn)動(dòng)的速度：任何正常的物體永遠(yuǎn)以低于光速的速度運(yùn)動(dòng)，只有光或其他沒(méi)有內(nèi)稟質(zhì)量的波才能以光速運(yùn)動(dòng)。
相對(duì)論的一個(gè)同等非凡的推論是，它變革了我們空間和時(shí)間的觀念。在牛頓理論中，如果有一光脈沖從一處發(fā)到另一處，（由于時(shí)間是絕對(duì)的）不同的觀測(cè)者對(duì)這個(gè)行程所花的時(shí)間不會(huì)有異議，但是（因?yàn)榭臻g不是絕對(duì)的）他們?cè)诠庑羞M(jìn)的距離上不會(huì)總?cè)〉靡恢碌囊庖?jiàn)。由于光速正是它行進(jìn)過(guò)的距離除以花費(fèi)的時(shí)間，不同的觀察者就測(cè)量到不同的光速。另一方面，在相對(duì)論中，所有的觀察者必須在光以多快速度行進(jìn)上取得一致意見(jiàn)。然而，在光行進(jìn)過(guò)多遠(yuǎn)的距離上，他們?nèi)匀徊荒苋〉靡恢乱庖?jiàn)。因此，現(xiàn)在他們對(duì)光要花費(fèi)多少時(shí)間上應(yīng)該也不會(huì)取得一致意見(jiàn)。（花費(fèi)的時(shí)間正是用光速——對(duì)這一點(diǎn)所有的觀察者都意見(jiàn)一致——去除光行進(jìn)過(guò)的距離——對(duì)這一點(diǎn)他們意見(jiàn)不一致。）換言之，相對(duì)論終結(jié)了絕對(duì)時(shí)間的觀念！看來(lái)每個(gè)觀察者都一定有他自己的時(shí)間測(cè)度，這是用他自己所攜帶的鐘記錄的，而不同觀察者攜帶的同樣的鐘的讀數(shù)不必要一致。
每個(gè)觀察者都可以利用雷達(dá)發(fā)出光或射電波脈沖來(lái)說(shuō)明一個(gè)事件在何處何時(shí)發(fā)生。一部分脈沖在事件反射回來(lái)后，觀察者可在他接收到回波時(shí)測(cè)量時(shí)間。事件的時(shí)間可認(rèn)為是脈沖被發(fā)出和反射被接收的兩個(gè)時(shí)刻的中點(diǎn)：而事件的距離可取這來(lái)回行程時(shí)間的一半乘以光速（在這個(gè)意義上，一個(gè)事件是發(fā)生在空間的單獨(dú)一點(diǎn)以及指定時(shí)間的一點(diǎn)的某件事）。這個(gè)思想被顯示在上。利用這個(gè)步驟，作相互運(yùn)動(dòng)的觀察者對(duì)同一事件可賦予不同的時(shí)間和位置。沒(méi)有一個(gè)特別的觀察者的測(cè)量比任何其他人的更正確，但是所有這些測(cè)量都是相關(guān)的。只要一個(gè)觀察者知道其他人的相對(duì)速度，他就能準(zhǔn)確算出其他人會(huì)賦予同一事件的時(shí)間和位置。