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俞 简介空间和时间是用来描述物体物理运动变化的两个基本维度。即什么，该物体出现在哪个位置。空间和时间的发明是人为了用一种大家公认的来达成一种共识。即大家都采用相同的时间与空间位置的标准。如用地球绕太阳旋转的周期作为一天的时间。将地球作为参照物，以经纬度作为空间的构成，并假设地球为静止，相对于地球的位置变化为活动的。基于这种空间和时间的，来观察和研究物体运动变化规律的物理学基础。通过物理学研究出来的规律，可以精确计算出，天体的运动规律。即什么时候某物体将出现在什么位置。[1] 时间和空间是构成物理学的基石，物理学描述了物体在四维空间（和时空）的变化规律。当参照系发生了变化，经典力学的物理的规律不在适用。突破传统思维，重新思考了对时间与空间的认识，提出了相对论。 宇宙（目前观察到的）的本身就是以太，时间就是以太的流动，而空间就是以太所存在的地方。 空间定义空间是具体事物的组成部分，是运动的表现形式，是人们从具体事物中分解和抽象出来的认识对象，是和、元本体和元实体组成的对立统一体，是存在于世界大集体之中的，不可被人感到但可被人知道的普通个体成员。空间是具体事物的组成部分，是具体事物具有的一般规定。眼睛可以看到、手可以触到的具体事物，都是处在一定空间位置中的具体事物，都具有空间的具体规定，没有空间规定的具体事物是根本不存在的。空间反映物质运动的广延性。物体在三维空间里的位置可以由三个相互独立的坐标轴来确定。 时间定义时间是人类用以描述物质运动过程或事件发生过程的一个参数，确定时间，是靠不受外界影响的物质周期变化的规律。例如月球绕地球周期，地球绕太阳周期，地球自转周期，原子震荡周期等。爱因斯坦说时间和空间是人们认知的一种错觉。大爆炸理论认为，宇宙从一个起点处开始，这也是时间的起点。经典时空观认为，时间是独立于物体及其运动而存在的。 物理概念  空间和时间 在中，对空间和时间的认识可以分为三个阶段：阶段、阶段及阶段。在中，空间和时间的被认为是与任何物体及运动无关的，存在着绝对空间和绝对时间。牛顿在《》中说：“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关。始终保持着相似和不变”“绝对的、纯粹的数学的，就其本性来说均匀地流逝，而与任何外在的情况无关”。 另一方面，物体的运动性质和规律，却与采用怎样的空间和时间来度量它有着密切的关系。相对于绝对空间的静止或运动，才是绝对的静止或运动。只有以绝对空间作为度量运动的参照系，或者以其他作绝对匀速运动的物体为参照物，惯性定律才成立。即不受外力作用的物体，或者总保持静止，或者总保持匀速运动。这一类特殊的参照系，被称为惯性参照系。任何两个不同的惯性参照系的空间和时间量之间满足变换。在这种变换下，位置、速度是相对的，即相对于不同参照系其数值是不同的：长度、时间间隔是绝对的，即相对于不同参照系其数值是不变的，同时性也是绝对的。相对于某一惯性参照系同时发生的两个事件，相对于其他的惯性参照系也必定是同时的。另外，规律在伽利略变换下保持形式不变，这一点符合伽利略相对性原理的要求。 正是这个相对性原理，构成了对牛顿的绝对空间概念的怀疑的起点。如果存在绝对空间，则物体相对于这个绝对空间的运动就应当是可以测量的，这相当于要求在某些运动定律中含有绝对速度。然而，相对性原理要求物体的运动规律中必定不含有绝对速度，亦即绝对速度在原则上是无法测定的。莱布尼兹、、等先后都对绝对空间、时间观念提出过有价值的异议，指出过，没有证据能表明牛顿绝对空间的存在。推广了上述的相对性原理，提出狭义相对论的相对性原理，即不但要求在不同惯性参照系中力学规律具有同样形式，而且其他物理规律也应如此。 经典力学和狭义相对论都认为一个惯性参照系可以适用于整个，或至少一个大的范围。相对于某一个惯性参照系，宇宙中任何范围中的物体运动都遵从惯性定律。爱因斯坦在广义相对论中指出，如果考虑到物体的万有引力，一个惯性参照系只能适用于一个非常局部的范围，不可能适用于大的范围，或全宇宙。如果对于描写一个局部范围中的物体来说，某一参照系是惯性的那么对其他范围中的物体运动而言，它一般就不再是惯性的。为了描写在一个大范围中的运动，对不同局部范围要用不同的惯性参照系。物体之间的引力的作用，就在于决定各个局部惯性系之间的联系。用几何的语言来说，各个不同的局部范围的惯性参照系之间的关系，可以通过时空曲率来规定。引力的作用就在于使空时变成弯曲的，而不再是经典力学中的无限延伸的的绝对空间，也不再是经典力学中的无限延伸的。 总之，在广义相对论中，时空的性质不是与物体运动无关的。一方面，物体运动的性质要决定于用怎样的空间时间参照系来描写它另一方面时空的性质也决定于物体及其运动本身。 量子论的发展，对时间概念提出了更根本的问题。量子论的结论之一就是：对于一个体系在过去可能存在于什么状态的判断结果，要决定于在现今的测量中做怎样的选择。所以，除非一个体系的过去状态是已经被记录到了这种情况以外，不能认为体系的历史是独立于现今的选择，而存在于过去的时间中的。 这种现在与过去之间的相互关系，是与因果顺序概念十分不同的，暗含于时间概念中的因果序列要求过去的存在应是不依赖现在的。另外，量子论还表明，在10¯³³厘米、10¯³³秒这样小的时空尺度中，描写事件顺序的“前”“后”概念将失去意义。 因此，用时间来描述事件发生的顺序，可能并不总是合用的。空间与时间是事物之间的一种次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一种近似。 平直时空爱因斯坦自己的理解，速度无穷大，“绝对同时”有意义，但速度上限是光速，因此“绝对同时”无意义。因此在速度无穷大时，爱因斯坦也不否认平直时空观。那么怎么解释光线的弯曲呢？在平静的水面上，水波是沿直线传播的，在有旋涡的水面上，水波不再直线传播。在均匀的空气中，光线直线传播，在密度不同的空气中，光线会弯曲，这个我们在海市蜃楼现象中是知道的。那么为什么没有人在计算光线经过太阳时，由于空气密度不同产生的弯曲呢？也许修正了爱因斯坦的相对论后，我们可以舒服的用平直时空看待了。 时空关系一般意义上讲，时间是物质存在的“持续”属性，空间是物质存在的“”属性。他们都是物质存在的属性，它们的关系不是简单的比例关系也不是简单的转换关系。他们之间的关联是以物质为媒介的，时间和空间都是相对的，对于不同的惯性系来说，时间和空间的尺度是不一样的，他们都会因运动和引力而发生改变，物质引力和物质会使空间发生弯曲，会把时间压缩，具体的计算过程是非常复杂的，如果有兴趣可以研究一下广义相对论和量子力学等学科，在不同的理论学说中，时间和空间被给与不同的定义含义。 一般老百姓理解的就是简单的式绝对空间和均匀流逝的古典时间概念。在这种传统意义上的时空概念中，时间和空间都是均匀的、互不相关的。 我们现在关于物体运动的观念来自于和。在他们之前，人们相信，他说物体的自然状态是静止的，并且只在受到力或冲击作用时才运动。这样，重的物体比轻的物体下落得更快，因为它受到更大的力将其拉向地球。 相对论时空  时间城市空间海报 20世纪初，爱因斯坦提出了狭义相对论，扩展了伽利略相对性原理，不仅要求力学规律在不同惯性参考系（惯性系）中具有同样形式，而且要求其他物理规律在不同惯性系中也具有同样的形式。爱因斯坦还假定在不同惯性参考系中单程光速C是不变的。据此，不同惯性系的空间坐标和时间坐标之间不再遵从伽利略变换，而是遵从非齐次洛伦兹变换。根据这类变换，尺的长度和时间间隔（即钟的快慢）都不是不变的：高速运动的尺相对于静止的尺变短，高速运动的钟相对于静止的钟变慢。同时性也不再是不变的（或的）：对某一个惯性系同时发生的两个事件，对另一高速运动的惯性系就不是同时发生的。在狭义相对论中，光速是不变量，因而时间–空间间隔（简称时空间隔）亦是不变量；一些惯性系之间，除了对应于时间平移和空间平移不变性的能量守恒和动量守恒之外，还存在时间–空间平移不变性；因而，存在–动量守恒律。根据这一守恒律，可导出爱因斯坦质量–能量关系式。这个关系在原子物理与原子核物理中极为基本。 狭义相对论否定了19世纪光以太的存在，电磁波是电磁场自身的波动。这样场就成为与实物有所不同的物质形式。同时，这也否定了牛顿的绝对空间和绝对时间，并通过光速不变原理把一维和三维空间联系起来，成为相互联系的四维时间–空间。H.闵可夫斯基首先发现了这一性质，因而称为闵可夫斯基时空。四维闵可夫斯基时空的几何是度规具有符号差的欧几里得几何，其不变群就是非齐次洛伦兹群。 狭义相对性原理要求所有的物理规律对于惯性系具有相同的形式。然而，把引力定律纳入这一要求并不符合观测事实。爱因斯坦进而提出引力作用的广义相对论，再一次变革了物理学的时间–观念。 按照广义相对论，如果考虑到物体之间的惯性力或引力相互作用，就不存在大范围的惯性系，只在任意时空点存在局部惯性系；不同时空点的局部惯性系之间，通过惯性力或引力相互联系。存在惯性力的时空仍然是平直的四维闵可夫斯基时空。存在引力场的时空，不再平直，是四维弯曲时空，其几何性质由度规具有符号差的四维黎曼几何描述。时空的弯曲程度由在其中物质（物体或场）及其运动的能量–动量张量，通过爱因斯坦引力场方程来确定。在广义相对论中，时间–空间不再仅仅是物体或场运动的“舞台”，时间–空间本身就是引力场。表征引力的时间–空间的性质与在其中运动的物体和场的性质是密切相关的。一方面，物体和场运动的能量–动量作为引力场的源，通过场方程确定引力场的强度，即时空的弯曲程度；另一方面，弯曲时空的几何性质也决定在其中运动的物体和场的运动性质。如太阳作为引力场的源，其质量使得太阳所在的时空发生弯曲，其弯曲程度表征太阳引力场的强度。最邻近太阳的水星的运动轨迹受的影响最大，经过太阳边缘的星光也会发生，等等。广义相对论提出不久，天文观测就表明，广义相对论的理论计算与观测结果是一致的。然而，20世纪中后期的研究表明，在物理上可以实现的条件下，广义相对论的时间–空间必定存在难以接受的奇异性。在奇点处时间–空间亦即引力场完全失去意义，这是广义相对论在理论上存在问题的表现。 宇宙的演化 宇宙是一个演化的。对于空间和时间的认识，一直与对宇宙的认识密切相关。现代宇宙论以宇宙学原理和爱因斯坦引力场方程为基础。宇宙学原理认为，作为一个，在时间上是演化的，即有时间箭头，在空间上是均匀各向同性的。20世纪中期，提出的大爆炸宇宙模型，解释了河外星系红移，预言了宇宙微波背景辐射，对于宇宙的演化、星系的形成、轻元素的丰度等都能给出了基本上与天文观测相一致的解释，也解决了牛顿体系无法建立宇宙图像的问题。可以说，宇宙作为一个演化的整体的认识是20世纪自然科学对于时间和空间的认识的一个重要成就和标志。然而，前面提到的，却又处在宇宙大爆炸的起点或星系核或黑洞的中心，这就给宇宙、星系演化带来新的问题。 量子理论影响 量子理论对空间和时间理论的影响。20世纪初物理学从经典力学到量子理论的变革，对于空间和时间的观念同样引起了革命性的变化，也引起物理学界的窘迫。量子力学描述的系统的空间位置和动量、时间和能量无法同时精确测量，它们满足不确定度关系；经典轨道不再有精确的意义等，如何理解量子力学以及有关测量的实质，一直存在争论。20世纪末，关于量子纠缠、隐形传输、量子信息等的研究对于与时间–空间密切相关的因果性、定域性等重要概念，也带来新的问题和挑战。 量子力学与狭义相对论的结合导致的量子电动力学、场论、电弱统一模型，包括描述强作用的量子色动力学在内的标准模型，虽然取得很大成功，但也带来一些挑战性的疑难。在深刻改变着一些有关时间–空间的重要概念的同时，也带来了一些原则问题。如真空不空、存在着零点能和真空涨落，大大改变了物理学对于真空的认识。在此基础上，量子电动力学的微扰论计算可给出与实验精密符合的结果，然而这个微扰展开却是不合理的。对称性破缺的机制使传递弱作用的中间玻色子获得质量，然而黑格斯场的真空期望值和前面提到的零点能，在一定意义上相当于宇宙常数，其数值却比天文观测的宇宙学常数大了几十到一百多个。量子色动力学描述夸克和胶子之间的相互作用，但夸克和胶子却被囚禁在强子内部，至今没有发现自由的夸克和胶子，这个问题可能与真空的性质相关。 另一方面，量子理论预示，在10－33厘米、10－43秒这样小的空间–时间尺度上，空间–时间的经典概念将不再适用。要解决这个问题，必须建立理论上自洽的量子引力理论，即量子时空理论。然而，量子理论和广义相对论如何结合一直未解决。一个或许有希望的候选者是超弦理论或M理论。可是，在量子意义上自洽的超弦理论或M理论，只能在一维时间–九维空间或一维时间–上实现。这就引起一些深刻的问题：如何回到一维时间–三维空间。为何现实的空间是三维的，时间是一维的，或许宇宙仅仅是高维时空中的“一片”（可称之为“膜”）。然而，从高维空间–时间回到四维空间–时间显然有不止一种方法。那么，在“膜”宇宙之外，是否可能存在其他的“膜”宇宙？在宇宙产生于大爆炸之前，是否还会有其他的阶段等。这些问题的研究和解决，与暗物质、暗能量，以及宇宙常数等问题都有着密切的联系。 弱作用 弱作用左右对称性（宇称）等的。力学和电磁学规律对于把惯性参考系（惯性系）从左手系变为右手系是不变的，把时间反号也是不变的。这些称为空间反演和时间反演不变的规律性与空间和时间的概念密切相关。同时，还存在与这些对称性相联系的正反电荷对称性。但在微观粒子的弱相互作用中，空间反演不变、时间反演不变和正反电荷反演不变这类规律性不再成立。从20世纪中期李政道和杨振宁提出宇称不守恒，并为实验证实开始，物理学正逐步认识到这一点。不过，至今还不清楚更深刻的本质是什么。 宇宙常数 暗能量和常数疑难。20世纪90年代末以来，天文观测有了很大的进展。已经，看不见的暗物质和与通常的能量完全不同的暗能量至少分别占据宇宙中总的物质和能量的两成和七成以上；宇宙常数为正，约为10－52厘米－2。这样，宇宙空间–时间就不再是渐近平坦的，而应该是渐近正的常曲率时空。但是，对于正的常曲率时空，不仅超弦或M理论具有原则上的困难，通常的量子场论、量子力学，乃至经典力学都会遇到。因为，在理论上还没有公认的方式自洽地定义物理和力学的可观测量。至于宇宙常数的数值为什么这样小，也是一大难题。 在上任何一个阶段，人类对于空间和时间的，都不是完备的、不存在问题的，只不过有些问题一时没有发现而已。人类对于空间和时间的认识，正是这样不断地提出问题、解决问题，在实践中不断地深化着。 点击加载更多 加载中... m。 |
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