空間和時間:物質存在的一種客觀形式-中文百科頻道

簡介

空間和時間是用來描述物體物理運動變化的兩個基本維度。即什麼時間，該物體出現在哪個位置。空間和時間的發明是人為了用一種大家公認的方式來達成一種共識。即大家都采用相同的時間與空間位置的标準。如用地球繞太陽旋轉的周期作為一天的時間。

将地球作為參照物，以經緯度作為空間的構成，并假設地球為靜止，相對于地球的位置變化為活動的空間。基于這種空間和時間的理論，來觀察和研究物體運動變化規律的物理學基礎。通過物理學研究出來的規律，可以精确計算出，天體的運動規律。即什麼時候某物體将出現在什麼位置。

時間和空間是構成物理學的基石，物理學描述了物體在四維空間（三維空間和時空）的變化規律。當參照系發生了變化，經典力學的物理的規律不在适用。愛因斯坦突破傳統思維，重新思考了對時間與空間的認識，提出了相對論。

宇宙（目前觀察到的）的本身就是以太，時間就是以太的流動，而空間就是以太所存在的地方。

空間定義

空間是具體事物的組成部分，是運動的表現形式，是人們從具體事物中分解和抽象出來的認識對象，是絕對抽象事物和相對抽象事物、元本體和元實體組成的對立統一體，是存在于世界大集體之中的，不可被人感到但可被人知道的普通個體成員。

空間是具體事物的組成部分，是具體事物具有的一般規定。眼睛可以看到、手可以觸到的具體事物，都是處在一定空間位置中的具體事物，都具有空間的具體規定，沒有空間規定的具體事物是根本不存在的。空間反映物質運動的廣延性。物體在三維空間裡的位置可以由三個相互獨立的坐标軸來确定。

時間定義

時間是人類用以描述物質運動過程或事件發生過程的一個參數，确定時間，是靠不受外界影響的物質周期變化的規律。例如月球繞地球周期，地球繞太陽周期，地球自轉周期，原子震蕩周期等。愛因斯坦說時間和空間是人們認知的一種錯覺。大爆炸理論認為，宇宙從一個起點處開始，這也是時間的起點。經典時空觀認為，時間是獨立于物體及其運動而存在的。

物理概念

在物理學中，對空間和時間的認識可以分為三個階段：經典力學階段、狹義相對論階段及廣義相對論階段。在經典力學中，空間和時間的本性被認為是與任何物體及運動無關的，存在着絕對空間和絕對時間。

牛頓在《自然哲學的數學原理》中說：“絕對空間，就其本性來說，與任何外在的情況無關。始終保持着相似和不變”“絕對的、純粹的數學的時間，就其本性來說均勻地流逝，而與任何外在的情況無關”。

另一方面，物體的運動性質和規律，卻與采用怎樣的空間和時間來度量它有着密切的關系。相對于絕對空間的靜止或運動，才是絕對的靜止或運動。隻有以絕對空間作為度量運動的參照系，或者以其他作絕對勻速運動的物體為參照物，慣性定律才成立。即不受外力作用的物體，或者總保持靜止，或者總保持勻速運動。

這一類特殊的參照系，被稱為慣性參照系。任何兩個不同的慣性參照系的空間和時間量之間滿足伽利略變換。在這種變換下，位置、速度是相對的，即相對于不同參照系其數值是不同的：長度、時間間隔是絕對的，即相對于不同參照系其數值是不變的，同時性也是絕對的。

相對于某一慣性參照系同時發生的兩個事件，相對于其他的慣性參照系也必定是同時的。另外，牛頓力學規律在伽利略變換下保持形式不變，這一點符合伽利略相對性原理的要求。

正是這個相對性原理，構成了對牛頓的絕對空間概念的懷疑的起點。如果存在絕對空間，則物體相對于這個絕對空間的運動就應當是可以測量的，這相當于要求在某些運動定律中含有絕對速度。

然而，相對性原理要求物體的運動規律中必定不含有絕對速度，亦即絕對速度在原則上是無法測定的。萊布尼茲、貝克萊、馬赫等先後都對絕對空間、時間觀念提出過有價值的異議，指出過，沒有證據能表明牛頓絕對空間的存在。愛因斯坦推廣了上述的相對性原理，提出狹義相對論的相對性原理，即不但要求在不同慣性參照系中力學規律具有同樣形式，而且其他物理規律也應如此。

經典力學和狹義相對論都認為一個慣性參照系可以适用于整個宇宙，或至少一個大的範圍。相對于某一個慣性參照系，宇宙中任何範圍中的物體運動都遵從慣性定律。愛因斯坦在廣義相對論中指出，如果考慮到物體的萬有引力，一個慣性參照系隻能适用于一個非常局部的範圍，不可能适用于大的範圍，或全宇宙。

如果對于描寫一個局部範圍中的物體來說，某一參照系是慣性的那麼對其他範圍中的物體運動而言，它一般就不再是慣性的。為了描寫在一個大範圍中的運動，對不同局部範圍要用不同的慣性參照系。

物體之間的引力的作用，就在于決定各個局部慣性系之間的聯系。用幾何的語言來說，各個不同的局部範圍的慣性參照系之間的關系，可以通過時空曲率來規定。引力的作用就在于使空時變成彎曲的，而不再是經典力學中的無限延伸的歐幾裡得幾何的絕對空間，也不再是經典力學中的無限延伸的闵可夫斯基空間。

總之，在廣義相對論中，時空的性質不是與物體運動無關的。一方面，物體運動的性質要決定于用怎樣的空間時間參照系來描寫它另一方面時空的性質也決定于物體及其運動本身。

量子論的發展，對時間概念提出了更根本的問題。量子論的結論之一就是：對于一個體系在過去可能存在于什麼狀态的判斷結果，要決定于在現今的測量中做怎樣的選擇。所以，除非一個體系的過去狀态是已經被記錄到了這種情況以外，不能認為體系的曆史是獨立于現今的選擇，而存在于過去的時間中的。

這種現在與過去之間的相互關系，是與因果順序概念十分不同的，暗含于時間概念中的因果序列要求過去的存在應是不依賴現在的。另外，量子論還表明，在10¯³³厘米、10¯³³秒這樣小的時空尺度中，描寫事件順序的“前”“後”概念将失去意義。

因此，用時間來描述事件發生的順序，可能并不總是合用的。空間與時間是事物之間的一種次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一種近似。

平直時空

愛因斯坦自己的理解，速度無窮大，“絕對同時”有意義，但觀測速度上限是光速，因此“絕對同時”無意義。因此在速度無窮大時，愛因斯坦也不否認平直時空觀。那麼怎麼解釋光線的彎曲呢？在平靜的水面上，水波是沿直線傳播的，在有旋渦的水面上，水波不再直線傳播。

在均勻的空氣中，光線直線傳播，在密度不同的空氣中，光線會彎曲，這個我們在海市蜃樓現象中是知道的。那麼為什麼沒有人在計算光線經過太陽時，由于空氣密度不同産生的彎曲呢？也許修正了愛因斯坦的相對論後，我們可以舒服的用平直時空看待宇宙了。

時空關系

一般意義上講，時間是物質存在的“持續”屬性，空間是物質存在的“廣延”屬性。他們都是物質存在的屬性，它們的關系不是簡單的比例關系也不是簡單的轉換關系。

他們之間的關聯是以物質為媒介的，時間和空間都是相對的，對于不同的慣性系來說，時間和空間的尺度是不一樣的，他們都會因運動和引力而發生改變，物質引力和物質運動速度會使空間發生彎曲，會把時間壓縮，具體的計算過程是非常複雜的，如果有興趣可以研究一下廣義相對論和量子力學等學科，在不同的理論學說中，時間和空間被給與不同的定義含義。

一般老百姓理解的就是簡單的歐幾裡德幾何式絕對空間和均勻流逝的古典時間概念。在這種傳統意義上的時空概念中，時間和空間都是均勻的、互不相關的。

我們現在關于物體運動的觀念來自于伽利略和牛頓。在他們之前，人們相信亞裡士多德，他說物體的自然狀态是靜止的，并且隻在受到力或沖擊作用時才運動。這樣，重的物體比輕的物體下落得更快，因為它受到更大的力将其拉向地球。

相對論時空

20世紀初，愛因斯坦提出了狹義相對論，擴展了伽利略相對性原理，不僅要求力學規律在不同慣性參考系（慣性系）中具有同樣形式，而且要求其他物理規律在不同慣性系中也具有同樣的形式。

愛因斯坦還假定在不同慣性參考系中單程光速C是不變的。據此，不同慣性系的空間坐标和時間坐标之間不再遵從伽利略變換，而是遵從非齊次洛倫茲變換。根據這類變換，尺的長度和時間間隔（即鐘的快慢）都不是不變的：高速運動的尺相對于靜止的尺變短，高速運動的鐘相對于靜止的鐘變慢。

同時性也不再是不變的（或絕對的）：對某一個慣性系同時發生的兩個事件，對另一高速運動的慣性系就不是同時發生的。在狹義相對論中，光速是不變量，因而時間–空間間隔（簡稱時空間隔）亦是不變量；一些慣性系之間，除了對應于時間平移和空間平移不變性的能量守恒和動量守恒之外，還存在時間–空間平移不變性；因而，存在能量–動量守恒律。

根據這一守恒律，可導出愛因斯坦質量–能量關系式。這個關系在原子物理與原子核物理中極為基本。

狹義相對論否定了19世紀光以太的存在，電磁波是電磁場自身的波動。這樣場就成為與實物有所不同的物質形式。同時，這也否定了牛頓的絕對空間和絕對時間，并通過光速不變原理把一維時間和三維空間聯系起來，成為相互聯系的四維時間–空間。

H.闵可夫斯基首先發現了這一性質，因而稱為闵可夫斯基時空。四維闵可夫斯基時空的幾何是度規具有符号差的歐幾裡得幾何，其不變群就是非齊次洛倫茲群。

狹義相對性原理要求所有的物理規律對于慣性系具有相同的形式。然而，把引力定律納入這一要求并不符合觀測事實。愛因斯坦進而提出描述引力作用的廣義相對論，再一次變革了物理學的時間–空間觀念。

廣義相對論表明，時空可以不是平坦的，而是彎曲的。我們可以在地球與宇宙遙遠的地方這兩點之間鑿出一個蟲洞，然後用某種“奇異物質”把洞口撐開，使之成為一個突然出現在宇宙中的超空間管道，讓我們在瞬間到達遙遠的彼岸。然後當我們返回時，蟲洞的奇異性質讓我們年輕了很多。

按照廣義相對論，如果考慮到物體之間的慣性力或引力相互作用，就不存在大範圍的慣性系，隻在任意時空點存在局部慣性系；不同時空點的局部慣性系之間，通過慣性力或引力相互聯系。存在慣性力的時空仍然是平直的四維闵可夫斯基時空。

存在引力場的時空，不再平直，是四維彎曲時空，其幾何性質由度規具有符号差的四維黎曼幾何描述。時空的彎曲程度由在其中物質（物體或場）及其運動的能量–動量張量，通過愛因斯坦引力場方程來确定。在廣義相對論中，時間–空間不再僅僅是物體或場運動的“舞台”，彎曲時間–空間本身就是引力場。

表征引力的時間–空間的性質與在其中運動的物體和場的性質是密切相關的。一方面，物體和場運動的能量–動量作為引力場的源，通過場方程确定引力場的強度，即時空的彎曲程度；另一方面，彎曲時空的幾何性質也決定在其中運動的物體和場的運動性質。如太陽作為引力場的源，其質量使得太陽所在的時空發生彎曲，其彎曲程度表征太陽引力場的強度。

最鄰近太陽的水星的運動軌迹受的影響最大，經過太陽邊緣的星光也會發生偏轉，等等。廣義相對論提出不久，天文觀測就表明，廣義相對論的理論計算與觀測結果是一緻的。然而，20世紀中後期的研究表明，在物理上可以實現的條件下，廣義相對論的時間–空間必定存在難以接受的奇異性。在奇點處時間–空間亦即引力場完全失去意義，這是廣義相對論在理論上存在問題的表現。

宇宙的演化

宇宙是一個演化的整體。對于空間和時間的認識，一直與對宇宙的認識密切相關。現代宇宙論以宇宙學原理和愛因斯坦引力場方程為基礎。宇宙學原理認為，宇宙作為一個整體，在時間上是演化的，即有時間箭頭，在空間上是均勻各向同性的。

20世紀中期，提出的大爆炸宇宙模型，解釋了河外星系紅移，預言了宇宙微波背景輻射，對于宇宙的演化、星系的形成、輕元素的豐度等都能給出了基本上與天文觀測相一緻的解釋，也解決了牛頓體系無法建立宇宙圖像的問題。

可以說，宇宙作為一個演化的整體的認識是20世紀自然科學對于時間和空間的認識的一個重要成就和标志。然而，前面提到的奇點，卻又處在宇宙大爆炸的起點或星系核或黑洞的中心，這就給宇宙起源、星系演化帶來新的問題。

量子理論影響

量子理論對空間和時間理論的影響。20世紀初物理學從經典力學到量子理論的變革，對于空間和時間的觀念同樣引起了革命性的變化，也引起物理學界的窘迫。

量子力學描述的系統的空間位置和動量、時間和能量無法同時精确測量，它們滿足不确定度關系；經典軌道不再有精确的意義等，如何理解量子力學以及有關測量的實質，一直存在争論。

20世紀末，關于量子糾纏、量子隐形傳輸、量子信息等的研究對于與時間–空間密切相關的因果性、定域性等重要概念，也帶來新的問題和挑戰。

量子力學與狹義相對論的結合導緻的量子電動力學、量子場論、電弱統一模型，包括描述強作用的量子色動力學在内的标準模型，雖然取得很大成功，但也帶來一些挑戰性的疑難。在深刻改變着一些有關時間–空間的重要概念的同時，也帶來了一些原則問題。

如真空不空、存在着零點能和真空漲落，大大改變了物理學對于真空的認識。在此基礎上，量子電動力學的微擾論計算可給出與實驗精密符合的結果，然而這個微擾展開卻是不合理的。

對稱性破缺的機制使傳遞弱作用的中間玻色子獲得質量，然而黑格斯場的真空期望值和前面提到的零點能，在一定意義上相當于宇宙常數，其數值卻比天文觀測的宇宙學常數大了幾十到一百多個數量級。量子色動力學描述誇克和膠子之間的相互作用，但誇克和膠子卻被囚禁在強子内部，至今沒有發現自由的誇克和膠子，這個問題可能與真空的性質相關。

另一方面，量子理論預示，在10－33厘米、10－43秒這樣小的空間–時間尺度上，空間–時間的經典概念将不再适用。要解決這個問題，必須建立理論上自洽的量子引力理論，即量子時空理論。然而，量子理論和廣義相對論如何結合一直未解決。

一個或許有希望的候選者是超弦理論或M理論。可是，在量子意義上自洽的超弦理論或M理論，隻能在一維時間–九維空間或一維時間–十維空間上實現。

這就引起一些深刻的問題：如何回到一維時間–三維空間。為何現實的空間是三維的，時間是一維的，或許宇宙僅僅是高維時空中的“一片”（可稱之為“膜”）。然而，從高維空間–時間回到四維空間–時間顯然有不止一種方法。那麼，在“膜”宇宙之外，是否可能存在其他的“膜”宇宙？在宇宙産生于大爆炸之前，是否還會有其他的階段等。這些問題的研究和解決，與暗物質、暗能量，以及宇宙常數等問題都有着密切的聯系。