一、爱因斯坦以前人们对时空的认识

人们对时空的认识，是随着社会与科学的发展而不断加深的．在物理学的发展进程中，最早对时空有系统认识的是古希腊的亚里士多德．他认为，大地是球形的，地球是宇宙的中心，一切物体都有达到它天然位置的倾向，这样，他把空间与物体的位置联系起来．亚里士多德又进一步把时间与物体的运动联系起来，认为时间是描述运动的数．哥白尼《天体运行论》的出版，又提出了地球是绕太阳运行的，太阳是宇宙的中心，这样使地球失去了它在空间中的优越地位．伽利略在对时空作进一步考察后，提出了相对性原理，即一个相对于惯性系作匀速直线运动的系统，其内部所发生的一切力学过程，都不受到系统作为整体的匀速直线运动的影响．进而考虑两个惯性参照系 s 与 s′，令 s′沿 X 轴方向以速度 v 作匀速直线运动，则两参照系中的坐标变换为：

x' = x − vt

y' = y

z' = z

t' = t

这就是所谓的伽利略坐标变换．从上述变换式中可知，在作相对运动的、不同的坐标系中测定的时间是相同的，即 t′=t．因此在伽利略看来时间是绝对的、普适的．由 x′=x-vt，式中包含了空间不变性，即绝对空间的观点：认为在两个惯性系中量得同一尺或物的长度是相同的．牛顿在建立经典力学体系后，进一步丰富与发展了时空的概念，同时牛顿为了能找到一个使经典力学体系成立的参考系，而引入了绝对空间与绝对时间的概念．牛顿的绝对空间认为，空间象一个大容器，它为物体的运动提供了一个场所．无论是物体放进去也好，取出来也好，这个空间本身并不会发生什么变化．牛顿认为这种绝对的空间按其实质永远是均匀和不动的，与任何外界情况无关．牛顿为了证明绝对空间的存在，还专门设计了一个著名的水桶实验，以此来证明绝对空间的确实存在．牛顿的绝对时间认为，“绝对的、真的及数学的时间，按其自身并按其本质来说在均匀地流动着，与外界任何现象都没有关系．此时间也可名为延续”．而且从“宇宙时钟” 敲响的时候起，整个宇宙都对好了自己的钟表，时间的快慢到处都一样．

由于牛顿的绝对时空观完全离开了物质和物质的运动而独立存在，同时还存在着许多问题与矛盾，如绝对时空与伽利略相对性原理不相容，绝对运动又无法去测定等等，对这些问题牛顿本人也清楚地认识到了，正如爱因斯坦所言：“牛顿自己比他以后的许多博学的科学家都更明白他的思

想结构中固有的弱点．”正因为如此，牛顿的绝对时空从一开始就相继受到了许多科学家的反对，如莱布尼兹、惠更斯、见克莱等．其中十九世纪后半叶的马赫出版的《力学史》较有影响，在《力学史》中，马赫对牛顿的绝对时间与绝对空间提出了尖锐的批评．他认为牛顿力学的绝对时空观缺乏经验事实的根据，是站不住脚的，他对牛顿的水桶实验作了新的解释．这一观点后来深深地影响了爱因斯坦．正如爱因斯坦在后来 1946 年的《自述》中写到的：“是恩斯特·马赫，在他的《力学史》中冲击了这种教条式的信念，当我还是一个学生的时候，这本书正是在这一方面给了我深刻的影响．”

马赫对牛顿绝对时空的批判只是定性的，1889 年爱尔兰物理学家菲茨杰拉德在《以太和地球的大气层》一文中提出了“收缩”假说，这个假设是指保持静止“以太”的观念，而认为物体在“以太”中运动时，在运动方向上其长度会发生收缩，这一假说成功地解释了地球在“以太”中运动所造成的光程差．1904 年洛仑兹在《运动物体小于光速的电磁现象》一文中提出，只要假定相对运动的坐标系之间存在一定的数学变换关系， 则麦克斯韦方程组对于各匀速运动的坐标系就会保持不变．这就是有名的洛仑兹变换．后来，洛仑兹给出了洛仑兹变换的具体形式：

x' = x − vt





y' = y

z' = z



 t − v x

t' =





但洛仑兹认为 t′不代表真正的时间，只是为了方便而引入的，他认为只有 t 才是真正的时间．从这里我们可看出，洛仑兹尽管提出了洛仑兹变换，但还只是在牛顿绝对时空观上的修修补补，而不能从根本上解决问题．在洛仑兹之后，著名物理学家彭加勒在 1906 年出版的《科学与假设》中说，没有什么绝对的空间，我们所理解的不过是相对的运动而已，绝对时间也是不存在的，所谓两个事件经历的时间相等，这种说法是毫无意义的．我们既可以把力学事实归入欧几里德空间，也可以归入非欧几里德空间．彭加勒还把相对性原理从力学现象扩大到各种物理现象．他还预言： “也许，我们应该建立一个全新的力学，在这个力学中，惯性将随着速度而增大，因为光速将变成不可逾越的极限．不过我们只窥见这个力学的一斑”．彭加勒所预言的新力学后来由爱因斯坦独创性的完成．