絕對空間與相對空間的本質區別是什麼？

長期以來物理學一直存在著這樣的一個爭議：空間到底是絕對的還是相對的？根據牛頓理論，空間是絕對的，根據愛因斯坦理論空間是相對的。那麼，這兩個理論哪個才是正確的呢？它們似乎都正確又都不正確。二者始終沒有統一起來。不能統一起來的關鍵問題是這兩種空間在本質上存在著不同。

首先，二者關於“空間”的定義是一致的。基本意思就是“宇宙中任何可以容納實體物質的地方都可以被叫做空間”。“空間就是可以容納實體物質的場所”。當然，如果那個場所比它所容納的實體物質的尺寸更大，物體就可以在其中運動。所以，空間的基本概念就是“容納物體存在與運動的場所”。在這一點上，“絕對空間”和“相對空間”是一致的。

那麼，絕對空間與相對空間的本質區別是什麼呢？其實，“絕對空間”所指的是一個“沒有任何物理功能的純場所”。這個空間除了是一個物體存在和運動的場所之外沒有任何其他物理意義。而“相對空間”則不同。“相對空間”指的是一個“具有物理功能的‘場空間’”。我們知道，“場”是物理學中經常涉及到的一個物理存在。什麼是場？簡單地說，物理的“場”就是“具有物理功能的空間”。從這個簡單的定義上就可以看出，物理場除了具有與絕對空間同樣的“場所”意義以外，它比絕對空間多了“物理功能”。

所以說，“相對空間”實際上就是“物理場”。既然是場就一定有場源。而場源一定都是實體物質。每個實體物質都具有一個獨立的質心。質心與質心是永遠都不可能重疊在同一個空間點上的。這就導致了相對性的出現。A物體的質心僅僅是A物體的質心，相對於B物體而言就不是質心了。同樣道理，如果A物體所產生出來的場是“場a”，B物體產生出來的場是“場b”。把這兩個物體同時放在一起，就可以說A物體處於場b之中，B物體處於場a之中。每個場都是相對獨立的。但是，在沒有從“場”這個本質上對上述這類現象做出分析的情況下，人們就很容易會用“空間”的概念去代替“場”。估計愛因斯坦就是這樣。於是就出現了“相對空間”這樣的概念。單純從“場所”這個立場出發，不涉及到物理功能的話，把“場”當成空間是可以的。

但是，一旦涉及到物理功能，把場當成一個相對空間就很容易造成混亂。所以，我反對把“場”叫做“相對空間”。而應該明確地把它叫做“場”。只有這樣才不會導致混亂。空間就是空間。如果把一個“場所”叫做空間的話，那個空間就應該是沒有物理功能的。如果那個“空間”是有物理功能的，它就應該被叫做“場”，而不再是“空間”。否則，若是每個人都按自己的想法去用移花接木式的方法隨意亂造概念，物理學的天下是不可能不大亂的。因此，以後還是不要再繼續使用“相對空間”這樣的概念了。真正的空間不可能是相對的。

其實，歷史上類似的情況也發生過。可以借鑑。

關於自由落體運動的問題，亞里士多德認為“物體越重下落速度越快”。伽利略則認為，物體的重量與自由下落速度無關。這兩個理論之間的不同是“空氣”造成的。因為空氣對下落物體來說也是具有物理功能的。

對比“空間理論”與“自由落體理論”，我們可以發現，亞里士多德的理論與相對空間理論是屬於同一類的，都涉及到了某種物理功能的參與。從這一點上說，現代人完全可以把亞里士多德的理論叫做“自由落體運動相對論”。因為那個理論是相對於空氣的存在而形成的。並且，在空氣存在的環境下可以證明它是正確的。而伽利略的理論則與絕對空間理論是屬於同一類的。是“理想化”了的理論。也就是排除了所有影響因素之後形成的理論。

然而，在現實世界中，“理想化”的實驗是不可行的。在亞里士多德時代根本就沒有真空環境可以做落體實驗。伽利略的實驗也是忽略了地球自轉等影響因素的近似實驗。理想化的結果都是純理論的。但是，這種對純理論的研究並不是沒有意義的。相反，意義非常重大。它可以讓人們從本質上看清一個事件的來龍去脈。

絕對空間也是如此。它只能是一個以理論形式存在的理想空間。我們在現實世界中根本就見不到絕對空間的影子。宇宙中的所有空間都早已被“場”充滿。但是，如果不知道理想的絕對空間是什麼，就不可能形成正確的科學理論。也就不能正確認識清楚“相對空間”的本質。

所以，科學研究總是把一個複雜事件分拆成複數個單一元件進行研究。這樣就可以把複雜變簡單了。從這一點上來看，我們還是應該堅持絕對空間的世界觀。對那些所謂“相對空間”的物理現象則是應該從“場”的技術上去進行分析和解決。否則，用“空間是相對的”這種世界觀只會把事情搞得越來越複雜和難解。至於現實中的那個與“相對空間”對應的“場”到底是什麼，才是物理學家需要關注和仔細研究的問題。

絕對空間是否真實存在？該如何去證實？如果宇宙中的所有物質都瞬間消失，空間是否還會存在？艾薩克·牛頓的答案是肯定的。在牛頓的眼中，空間就像《星際迷航》裡的全息甲板——一個三維的虛擬現實網路，上面投射有模擬的人和物。正如牛頓在其《原理》中所寫：“絕對空間，就其本性而言，與外界任何事物無關，而且永遠是相同的和不動的。”

這一理論在日常生活中頗具說服力。我向東走，你向西走，但郵局仍在原地不動：參照系保持不變。但與牛頓同時代的德國數學家和哲學家萊布尼茨不相信絕對空間這個觀點，認為如果組成宇宙的眾多物體都消失的話，空間就不再具有任何意義。事實上，如果將太空作為觀察物件，萊布尼茨的理論會更站得住腳，因為在太空中，你能注意到的只有你和太陽的距離，以及彼此間相對運動的眾多行星。萊布尼茨認為唯一合理的解釋是，空間是“相對的”：空間只是你與其他物體間不斷變化的距離以及其他物體彼此間的距離，並非“絕對現實”。

這與牛頓的看法恰恰相反。絕對空間的影響非常容易觀察，牛頓也通過旋轉水桶實驗對其進行了證明。實驗聽上去很簡單，但它引發了時至今日仍未停止的關於空間、時間、運動、加速度和力量的爭論。

從原理上講，牛頓要求人們想象被繩子吊著的一桶水。將水桶朝順時針方向轉動，繩子就開始被擰緊。放手後會發生什麼？木桶會逆時針轉動，先慢後快。與此同時，正如牛頓描述的，“水的表面會從中心下降，並在桶壁升高，就像一個漏斗一樣”。一開始，木桶和水同時轉動，最終，木桶轉速變慢，並反方向轉動；水的轉速也放緩，水面逐漸歸於水平。

高中生都學過的離心力與此實驗有些關係，但到底是什麼使水沿著桶壁升高呢？牛頓認為，它不是水相對於水桶的運動，因為當水轉動最厲害時，水的表面變化最大，與水桶同步。當然，木桶和水相對於地球在轉動，但這也不是答案，因為如果在太空中進行同樣的實驗，結果是一樣的。

在牛頓看來，對水桶實驗的唯一解釋是，水相對於絕對空間在旋轉。這也與慣性力有關，慣性力拒絕物體在運動速度和方向上的任何變化。當水桶和水轉起來時，桶壁阻擋了水的直線運動，使其沿桶壁推升。

為什麼物體本身具有慣性力？奧地利物理學家馬赫相信，任何關於運動和慣性力的解釋，包括水桶中水的運動，都與宇宙中其他的物質有關。在馬赫看來，地球本身也是放大版的水桶：自數十億年前太陽系形成後，地球就開始旋轉，赤道也像旋轉木桶中的水一樣“突出來”。

如果地球停止自轉，，而它周圍的行星和恆星圍繞它轉動，赤道還會突出來嗎？

牛頓的回答是否定的：沒有旋轉，就沒有突出。但是馬赫認為答案取決於物體的慣性力從何而來。如果物體的慣性力是宇宙中眾多物質產生的某種作用的結果，那麼行星仍然會有突出，因為其他行星和恆星仍在它周圍旋轉。這便是馬赫的相對理論：不止運動是相對的，慣性力也是物體和宇宙中其他物體之間的關係。如果馬赫的觀點是正確的，恆星和星系，或遠或近，都在某種意義上塑造了地球的形狀，以及水在牛頓水桶實驗中的漏斗造型。但是馬赫並沒有說明那些遙遠的恆星和星系如何發揮自己的作用，即使到了今天，答案仍然很不明朗。

年輕的愛因斯坦可能是馬赫最忠實的讀者，他努力將這一觀點命名為馬赫原理，並將這一原理與他的引力理論——廣義相對論——相結合。

愛因斯坦理論的巨大成功是對牛頓絕對空間的最後一擊。但是沒有了絕對空間，我們仍要考慮如何解釋牛頓的木桶實驗。在其暢銷書《宇宙的構造》中，物理學家布萊恩·格林指出，儘管愛因斯坦的理論排除了牛頓的絕對空間，但仍說明時空這一四維空間結構是絕對的。人們可能會在遊行的持續時間或遊行隊伍間的距離上有分歧，但是在遊行隊伍的起點和終點之間的時空距離上沒有分歧。這比較難以想象，因為我們不能同時看到四個維度，但愛因斯坦的理論公式可以證明這一點。

但是，這還不是格林對物質的最終論斷。物理學家認為賦予粒子品質的希格斯場充斥整個宇宙。雖然愛因斯坦的時空可以作為測量加速度的參照系，但希格斯場有一點做得更好：它對任何通過它的物質產生阻力，這樣就可以解釋為什麼物體一開始就具有慣性力。

還有一個想法來自亞利桑那州立大學的物理學家保羅·戴維斯。他指出，“空”的空間其實是亞原子粒子彈進或彈出而形成的一個短暫的沸騰的泡沫，並認為這種量子的“真空嬉鬧”可以替代絕對空間。現在，由牛頓的水桶實驗引發的有關空間和運動、品質和慣性力的觀點仍在困擾著物理學家和哲學家。某種東西使水沿著桶壁上升，但它究竟是時空構造、希格斯場還是某種量子泡沫，仍有待觀察。

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