在物理学方面,亚里士多德认为,各物体只有在一个不断作用着的推动者直接接触下,才能保持运动,否则物体就会停止。这种推动者或在物体内部,如生物;或在物体外面,如物体受到外力推动或拉引那样。均匀的物体,只能靠外来的推动而运动,因此,任何运动,都是通过接触而产生的。如石头抛在空中运动,是因为为了防止石头后面的真空,空气流到石头后面,以维持石头的运动。因此真空也是不能存在的,因为空间必须装满物质,这样才能通过直接接触传递物理作用。因此亚里士多德反对原子论的“世界是由真空和原子组成”的观点。他认为,空间必须是一个物质的连续体。
经典力学建立的标志是牛顿确立的万有引力定律和运动三大定律。牛顿在数学、光学等领域均有重大贡献,最重要的是在力学方面。他在力学方面的贡献之一是确立了万有引力定律。这个定律说明,任何两个物体之间都有引力存在。这个引力与彼此吸引的物体的质量体积成正比,而与两物体间距离的平方成反比。万有引力定律总结了此前一个半世纪的科学发明并用精确的数学术语把它们连结起来了。此外,牛顿还确立了著名的运动三定律,即惯性定律、比例定律(即加速度与力成正比)、作用和反作用相等定律。运动三定律是经典物理学的基础。1687年,他出版了《自然哲学的数学原理》,在该书中他首先给力学的基本要领如质量、动量、惯性、力及向心力下了定义,对大至宇宙天体,小至光的微粒的一切物体在真空中或在有阻力的介质中的运动,全部应用运动三定律和万有引力定律给予了说明,把自然界中的一切力学现象都囊括在他的力学体系之中。
我们常看到许多宇宙的,在这些中,这些天体似乎都是悬浮在宇宙当中。所以,就给人一种错觉,好像天体都是飘在宇宙当中。那事实真的是如此吗?
这其实是对于物理规律掌握得不够清晰造成的,天体之所以看起来悬浮在宇宙中,并不是说有?神秘力量?在托着它,而是它自然而然的状态。在物理学领域,每个时代的学者也都在思考这个问题,那具体是咋回事呢?
亚里士多德vs牛顿力学这里的误会主要集中在对?力?的认识上。在古希腊时代,当时发展出了古希腊哲学,在古希腊哲学中,就存在一个学术分支:自然哲学。
自然哲学研究的是万物的本源以及万物运转背后的规律。自然哲学一直到牛顿时代还在延续,牛顿的时代其实是没有?科学?的概念,牛顿其实是自称自然哲学家的,所以他的著作叫作:自然哲学的数学原理,而不是科学的数学原理。
在古希腊时代,哲学的集大成者是亚里士多德。他自然也会对?运动?和?力?的概念进行一些解释。他认为力是维持物体运动状态的原因,说白了就是物体要运动就需要要有?力?的参与。
他的观念一直统治着整个西方的学术圈,一直到文艺复兴时期,一大批杰出的学者出现,并推翻了亚里士多德的观念,这当中的代表人物就是伽利略和牛顿。
牛顿在伽利略等人的基础上,提出了著名的牛顿三大定律。在牛顿第一定律中,我们知道,力是改变物体运动状态的原因,一个物体如果所受合力为零,那它要么保持匀速直线运动,要么保持静止状态。我们再回过头来看?星球漂浮在宇宙中?的案例,其实我们日常生活会有?东西都往下掉?的感受,本质上是因为我们受到了重力,比如:苹果会从树上掉下来,就是重力导致的。重力竖直向下的,所以我们才会觉得东西都会往下掉。
但是如果我们把目光看下太空,我们就发现,天体所受到的力是来自于其他天体,比如,地球会受到太阳的引力作用,同时也会受到月球的引力作用等。这些?力?的作用和重力不同,不是向下的,所以不会把地球向下拖拽,这些?力?指向的都是引力源。
比如,地球受到的太阳引力,方向是指向太阳的,所以如果地球真的要往?下?掉,那对于地球来说,它的?下?也是朝着太阳的。只不过,由于地球具有一定的速度,所以它没有掉到太阳里,而是绕着太阳转。这其实和发射卫星道理是类似的,卫星就是具有一定的初速度,受到地球引力作用,围绕着地球转。
所以,如果我们从经典物理学的角度来看这件事,我们就会发现,天体不可能往下?掉?,因为没有一个朝下的?力?拉拽它。
牛顿力学vs广义相对论同样是引力现象,不同的物理学家,其实给出的解释是不同的,上文我们提到的是牛顿的万有引力定律与力学三大定律。不过,现代物理学的支柱是相对论和量子力学。其中,广义相对论对?引力现象?的诠释是不同于牛顿理论的。具体来说就是,爱因斯坦认为万有引力是不存在的,引力现象的本质是时空的弯曲。那为什么爱因斯坦会得出这样的结论呢?
这是因为牛顿在提出万有引力定律时,其实有个假设,这个假设就是时间和空间是绝对的,说白了就是所有的人一秒钟的时间跨度和一米的长度都是一样的,和运动无关。牛顿的这个看法其实很符合我日常生活中的直觉的。
后来,随着科学对于?光速?的研究,他们发现,光速在任何关系惯性参考系下都是不变的。不仅如此,如果把光速的这个特点作为理论的基本假设,我们其实可以利用数学推演出,不同运动状态下,空间和时间都是不同的,说白了就是你的运动状态不同,你看到的一米和感受到的1秒的时间跨度就可能是不同的。
所以,在爱因斯坦的时代,他提出时间和空间并不是像牛顿所说的那样是绝对的。以上这些内容其实就是狭义相对论的一部分内容,爱因斯坦基于狭义相对论进一步推导,就得到了广义相对论,他发现了著名的等效原理。这个等效原理说的就是适当加速运动的参考系和重力场是等价的。通过这个方式,他就统一引力和加速运动的物理学现象。
进而提出,引力的本质是时空弯曲引起的,举例来说,月球绕着地球转,其实是因为地球压弯了周围的时空,而月球是沿着时空遵守着牛顿力学第一定律在运动,我们从三维空间中看,它是在走椭圆轨道运动,但实际上从四维时空中来分析,月球沿着测地线在运动,所谓测地线就是高维时空的两点之间的最短距离。
所以,从广义相对论来理解这件事情,我们其实可以认为天体是被时空的?托着?,它们是贴着时空的?地面?在运动。