我們現(xiàn)在關(guān)于物體運(yùn)動的觀念來自于伽利略和牛頓。
在他們之前，人們相信亞里士多德，他說物體的自然狀態(tài)是靜止的，并且只有在受到力或沖擊的推動時才運(yùn)動。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?br/>
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：不必要用觀測去檢驗(yàn)之。
這樣，在伽利略之前，沒有一個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，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，你在一個沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上釋放1個球，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，而不管這個球多重。當(dāng)然，一個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?。如果一個人釋放兩個不受任何空氣阻力的物體，例如兩個不同的鉛錘，它們則以同樣速度下降。在沒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)同時落到月面上。
牛頓把伽利略的測量當(dāng)做他的運(yùn)動定律的基礎(chǔ)。在伽利略的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)物體從斜坡上滾下時，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。同時，它還意味著，只要物體沒有受到外力，它就會以同樣的速度保持直線運(yùn)動。
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）一書中明白地陳述出來，并被稱為牛頓第一定律。牛頓第二定律給出物體在受力時發(fā)生的現(xiàn)象：物體在被加速或改變其速度時，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)量的物體時只產(chǎn)生一半的加速度）。小汽車可提供一個熟知的例子，發(fā)動機(jī)的功率越大，則加速度越大，但是小汽車越重，則對于同樣的發(fā)動機(jī)，則加速度越小。除了他的運(yùn)動定律，牛頓還發(fā)現(xiàn)了描述引力的定律：任何兩個物體都相互吸引，其引力大小與每個物體的質(zhì)量成比例。于是，如果其中一個物體（例如A）的質(zhì)量加倍，則兩個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可看成兩個具有原先質(zhì)量的物體，每一個用原先的力來吸引物體B，所以A和B之間的總力加倍。而如果，比如說，其中一個物體質(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?，F(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，一個恒星的引力只是一個類似恒星在距離小一半時的引力的1/4。這個定律極其精確地預(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，它們就會以螺旋線的形狀要么盤旋到太陽上去，要么從太陽逃逸。
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優(yōu)越的靜止?fàn)顟B(tài)，任何沒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以不變的速度相對于物體A運(yùn)動，或物體B靜止而物體A運(yùn)動，這兩種講法是等價的。例如，我們暫時不理睬地球的自轉(zhuǎn)和它圍繞太陽的公轉(zhuǎn)，則可以講地球是靜止的，一輛有軌電車以每小時30英里的速度向東運(yùn)動，或有軌電車是靜止的，而地球以每小時30英里的速度向西運(yùn)動。如果一個人在有軌電車上做運(yùn)動物體的實(shí)驗(yàn)，所有牛頓定律仍然都成立。例如，在有軌電車上打乒乓球，人們將會發(fā)現(xiàn)，正如在鐵軌旁一張臺桌上的球一樣，乒乓球服從牛頓定律，所以無法得知究竟是火車還是地球在運(yùn)動。
缺乏靜止的絕對標(biāo)準(zhǔn)意味著，人們不能確定，在不同時間發(fā)生的兩個事件是否發(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@兩回彈跳的時間間隔里，有軌電車已在鐵軌上走了這么遠(yuǎn)。
這樣，不存在絕對靜止意味著不能像亞里士多德相信的那樣，給事件指定一個絕對的空間位置。事件的位置以及它們之間的距離對于在有軌電車上和鐵軌上的人來講是不同的，所以沒有理由以為一個人的立場比別人的更優(yōu)越。
牛頓對不存在絕對位置或所謂絕對空間非常憂慮，因?yàn)檫@和他的絕對上帝的觀念不一致。事實(shí)上，即使他的定律隱含著絕對空間的不存在，他也拒絕接受。因?yàn)檫@個非理性的信仰，他受到許多人的嚴(yán)厲批評，其中最有名的是貝克萊主教。他是一個相信所有的物質(zhì)實(shí)體、空間和時間都是虛妄的哲學(xué)家。當(dāng)人們將貝克萊的見解告訴著名的約翰遜博士時，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時間。也就是說，他們相信人們可以毫不含糊地測量兩個事件之間的時間間隔，只要用好的鐘，不管誰去測量，這個時間都是一樣的。時間相對于空間是完全分離并且獨(dú)立的。這就是大部分人當(dāng)作常識的觀點(diǎn)。然而，我們必須改變這種關(guān)于空間和時間的觀念。雖然這種顯而易見的常識可以很好地對付運(yùn)動甚慢的諸如蘋果、行星的問題，但在處理以光速或接近光速運(yùn)動的物體時卻根本無效。
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)星不是以等時間間隔從木星背后出來，不像如果衛(wèi)星以不變速度圍繞木星運(yùn)動時，人們會預(yù)料的那樣。當(dāng)?shù)厍蚝湍拘嵌紘@著太陽公轉(zhuǎn)時，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)我們離開更遠(yuǎn)時，光從木星衛(wèi)星那里要花更長的時間才能達(dá)到我們這里。然而，他測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)，并且測量了那個速度，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)英國的物理學(xué)家詹姆斯?麥克斯韋成功地將直到當(dāng)時用以描述電力和磁力的部分理論統(tǒng)一起來以后，才有了光傳播的正確的理論。麥克斯韋方程預(yù)言，在合并的電磁場中可以存在波動的微擾，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（兩個相鄰波峰之間的距離）為1米或更長一些，它們就是我們所謂的射電波。更短波長的波稱做微波（幾厘米）或紅外線（長于萬分之一厘米）?？梢姽獾牟ㄩL在一百萬分之四十至一百萬分之八十厘米之間。更短的波長被稱為紫外線、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)，人們就必須說清這固定的速度是相對于何物來測量的。因此有人提出，存在著一種無所不在的稱為“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)該通過以太行進(jìn)，所以它們的速度應(yīng)是相對于以太而言的。相對于以太運(yùn)動的不同觀察者，會看到光以不同的速度沖他們而來，但是光對以太的速度保持不變。特別是當(dāng)?shù)厍蛟谒鼑@太陽的軌道穿過以太時，在地球通過以太運(yùn)動的方向測量的光速（當(dāng)我們對光源運(yùn)動時）應(yīng)該大于在與運(yùn)動垂直方向測量的光速（當(dāng)我們不對光源運(yùn)動時）。1887年，阿爾伯特?邁克耳孫（他后來成為美國第一位諾貝爾物理學(xué)獎獲得者）和愛德華?莫雷在克里夫蘭的凱思應(yīng)用科學(xué)學(xué)校進(jìn)行了一個非常仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)。他們將沿地球運(yùn)動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)時還默默無名的瑞士專利局的職員阿爾伯特?愛因斯坦，在1905年的一篇著名的論文中指出，只要人們愿意拋棄絕對時間觀念的話，整個以太的觀念則是多余的。幾個星期之后，法國第一流的數(shù)學(xué)家亨利?龐加萊也提出類似的觀點(diǎn)。愛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)問題。通常這個新理論歸功于愛因斯坦，但人們不會忘記龐加萊的名字在其中起了重要的作用。
這個被稱為相對論的基本假設(shè)是，不管觀察者以任何速度作自由運(yùn)動，相對于他們而言，科學(xué)定律都應(yīng)該是一樣的。這對于牛頓的運(yùn)動定律當(dāng)然是對的，但是現(xiàn)在這個觀念被擴(kuò)展到包括麥克斯韋理論和光速：不管觀察者運(yùn)動多快，他們應(yīng)測量到一樣的光速。這簡單的觀念有一些非凡的結(jié)論?？赡茏钪吣^于質(zhì)量和能量的等價，這可用愛因斯坦著名的方程E=mc2來表達(dá)（E是能量，m是質(zhì)量，c是光速），以及沒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，物體由于它的運(yùn)動具有的能量應(yīng)該加到它的質(zhì)量上去。換言之，要加速它將更為困難。這個效應(yīng)只有當(dāng)物體以接近于光速的速度運(yùn)動時才有實(shí)際的意義。例如，以10%光速運(yùn)動的物體的質(zhì)量只比原先增加了0.5%，而以90%光速運(yùn)動的物體，其質(zhì)量變得比正常質(zhì)量的2倍還多。當(dāng)一個物體接近光速時，它的質(zhì)量上升得越來越快，這樣它需要越來越多的能量才能進(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質(zhì)量會變成無限大，而根據(jù)質(zhì)量能量等價原理，這就需要無限大的能量才能做到。由于這個原因，相對論限制了物體運(yùn)動的速度：任何正常的物體永遠(yuǎn)以低于光速的速度運(yùn)動，只有光或其他沒有內(nèi)稟質(zhì)量的波才能以光速運(yùn)動。
相對論的一個同等非凡的推論是，它變革了我們空間和時間的觀念。在牛頓理論中，如果有一光脈沖從一處發(fā)到另一處，（由于時間是絕對的）不同的觀測者對這個行程所花的時間不會有異議，但是（因?yàn)榭臻g不是絕對的）他們在光行進(jìn)的距離上不會總?cè)〉靡恢碌囊庖姟Ｓ捎诠馑僬撬羞M(jìn)過的距離除以花費(fèi)的時間，不同的觀察者就測量到不同的光速。另一方面，在相對論中，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。然而，在光行進(jìn)過多遠(yuǎn)的距離上，他們?nèi)匀徊荒苋〉靡恢乱庖?。因此，現(xiàn)在他們對光要花費(fèi)多少時間上應(yīng)該也不會取得一致意見。（花費(fèi)的時間正是用光速――對這一點(diǎn)所有的觀察者都意見一致――去除光行進(jìn)過的距離――對這一點(diǎn)他們意見不一致。）換言之，相對論終結(jié)了絕對時間的觀念！看來每個觀察者都一定有他自己的時間測度，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。
每個觀察者都可以利用雷達(dá)發(fā)出光或射電波脈沖來說明一個事件在何處何時發(fā)生。一部分脈沖在事件反射回來后，觀察者可在他接收到回波時測量時間。事件的時間可認(rèn)為是脈沖被發(fā)出和反射被接收的兩個時刻的中點(diǎn)：而事件的距離可取這來回行程時間的一半乘以光速（在這個意義上，一個事件是發(fā)生在空間的單獨(dú)一點(diǎn)以及指定時間的一點(diǎn)的某件事）。這個思想被顯示在上。利用這個步驟，作相互運(yùn)動的觀察者對同一事件可賦予不同的時間和位置。沒有一個特別的觀察者的測量比任何其他人的更正確，但是所有這些測量都是相關(guān)的。只要一個觀察者知道其他人的相對速度，他就能準(zhǔn)確算出其他人會賦予同一事件的時間和位置。