网站地图
空间和时间

哲学上,空间和时间的依存关系表达着事物的演化秩序。

时、空都是绝对概念,是存在的基本属性。但其测量数值却是相对于参照系而言的。

“时间”内涵是无尽永前;外延是各时刻顺序或各有限时段长短的测量数值。

“空间”内涵是无界永在,外延是各有限部份空间相对位置或大小的测量数值。

因为在狭义相对论中,光速是测量时、空的共同尺子,时、空的变化在此共尺上表现依存规律,即遵从洛伦兹变换。所以,时、空的测量数值是相对于具体惯性系的,如同时性在测量上不是绝对的,相对于某一参照系为同时发生的两个事件,相对于另一参照系可能并不同时发生;长度和时段在测量上也不是绝对的,运动的尺相对于静止的尺变短,运动的钟相对于静止的钟变慢。光速在狭义相对论中是绝对量,对于任何惯性参照系光速都是常量c。

第1点 内涵关系

时、空、质在内涵上是既各自独立又相互联系着的三个绝对概念。时间公理、空间点分理、质量总体分理表达了它们的各自独立性,而空时关系分理和质空关系分理则表达了它们的相互联系性。空时关系分理和质空关系分理表明U=U(T)和M=M(U),即空间所经历者为时间质量所充满者为空间,就是说:“时空随质度”。质量是三要素中的原生要素,没有质量就没有空间,没有空间就没有时间,如果采用老子道德经的诗化描述,则有:原生质,质生空,空生时,时生万物

第2点 测量关系

时空质的外延部份涉及到其数值测度问题,其测度数值都是相对于参照系的,而且都只能够是近似值。测度时空质的数值是科学上要具体解决的问题。在爱恩斯坦以前是在虚拟静止参照系下分别测度的,具体了它们的各自独立性;爱恩斯坦增加了在实际运动参照系下的共尺测度方法,具体了它们的相互联系性。

时空质的依存关系确立了事物的演化秩序。如果在测度上以绝对常量光速c为共尺,此秩序可由以下爱因斯坦狭义相对论公式具量表达:

T=γ(t-vr/c^2),动时间T,静时间t, 相对运动下钟变慢;

R=γ(r-vt), 动距离R,静距离r, 相对运动下尺变短;

M=γm, 动质量M,静质量m,相对运动下质变大。

其中γ=1/√(1-v^2/c^2)

用绝对常量去测度各种变量以求取变量间的函数关系,是人类的小智慧;而用无限长的时空质尺子去测度“历时有尽”的事件和“占空有界”的物件以创造万事万物,则是宇宙的大智慧。人类若能够从中有所领悟,必能够走出“相对”的迷宫,步入“绝对”的圣境!


  

宇宙三公理

在《宇宙哲学》中,人类的所有概念都可以由下述三条公理直接定义或演绎定义。

表O、宇宙三公理

公理

分理一

分理二

时间T

无尽:t∈(-∞,+∞)

永前:△t>0

空间U

无界:r∈[0,+∞)

永在:r=ct

质量M

无限:m∈(0,+∞)

永在:dρ_η≠dρ_0

一、时间公理:时间无尽永前。表达式:T={t∈(-∞,+ ∞)}∩{△t>0}

时间公理分为时刻分理和时段分理两部份。

1、时刻分理:t∈(-∞,+ ∞)为“无尽”,指“时间没有起始和终结”。

时刻无限多、刻刻不同是时间本性之一。t为时刻,其测量数值为实数。

2、时段分理:△t>0为“永前”,指“时间的增量总是正数”。

时段单向延续是时间本性之二。△t为时段,其测量数值为大于0的实数。

二、空间公理:空间无界永在。表达式:U={r∈[0,+ ∞)}∩{r=ct}。

空间公理分为点分理与空时关系分理两部份。

1、点分理:r∈[0,+ ∞)为“无界”,指“空间里任一点都居中”。

点数无限多、点点不同又点点平权是空间本性。这里点P=(r,θ,φ )[球坐标],r为P点到球坐标系原点的距离,其测量数值为非负实数,θ∈[0,π],φ∈[0,2π]。

2、空时关系分理:r=ct为“永在”,指“空间永现于当前时刻”。

任何空间点都必然出现在当前时刻是空间与时间的基本关系。这里c为光速常量。因为根据狭义相对论中的四维时空概念,时空间隔ct-r=0是不变量,即时间和空间之间没有间隔,所以r=ct表示P点是光即时到达之点,也就是表示“空间永现于当前时刻”。

三、质量公理:质量无限永有。表达式:M={m∈( 0,+ ∞)}∩{(dρ)_η≠(dρ)_0}。

质量公理分为总体分理和质空关系分理两部份。

1、总体分理:m∈(0,+ ∞)为“无限”,指“宇宙的总质量无限大”。

总质量无限大是质量本性。这里m为静质量。

2、质空关系分理:(dρ)_η≠(dρ)_0为“永有”,指“永不均匀地布满空间”。

“宇宙空间内的任何部份都充满着质量,不存在不含质量的纯空,但各点的微密度都不相同”,这是质量与空间的基本关系。(dρ)_0为任意指定一空间点的密度,(dρ)_η为其他的任意空间点的密度,(dρ)_η≠(dρ)_0表示每点的微密度都不相等,就是说“质布空间永不均”。这里密度ρ=m/u,微密度dρ=dm/du,其中dm 为无穷小的质元;du为无穷小的空元,其中u为域积,包括点、线、面、体之积;η为正整数。 “质布空间永不均”在量子力学上表达为“测不准原理”注1。著名的布朗运动就是由“质布空间永不均”造成的注2。

为了便于牢记,以诗表之:

《宇宙三公理》

增量恒为正,时间没始终。空间存现在,点点可居中。

质量无穷大,不均布满空。时空随质度,生灭理相同。

时间、空间、质量的定义

时间、空间、质量合称宇宙三要素,分别简称时、空、质。

宇宙三要素定义式

概念

内涵

外延,n为正整数

推论

时间

T={t∈(-∞,+∞)}∩{△t>0}

T=∑(t∪→△t)_n=∑t_n∪∑→△t_n

t=∫dt

空间

U={r∈[0,+∞)}∩{r=ct}

U=∑(→r∪u)_n=∑→r_n∪∑u_n

u=∫du

质量

M={m∈(0,+∞)}∩{(dρ)_η≠(dρ)_0}

M=∑m_n=∑(ρu)_n

m=∫dm

这三要素的定义概括了所有人类学科关于时间、空间、质量定义的内涵和外延。时、空、质定义中的内涵分别就是时间公理、空间公理、质量公理,外延则由各自内涵的本性分理分别演绎推导得出:因为“三无”,所以时空质的每部份都有限可测,但部份数却都可以无限多内涵表达了时空质之尺都是无限长的,外延分别表达了时间可以任分时刻以分段并测量各段长、空间可以任分区域并测量各区域大小、质量可以任分部分并测量每部份数值的多少。根据时空质的定义可以推导出时空质分别由其素元所积成。

第1点 时间

内涵T={t∈(-∞,+∞)}∩{△t>0};外延T=∑(t∪→△t)_n=∑t_n∪∑→△t_n。

即内涵是无尽永前;外延是各时刻顺序或各有限时段长短的测量数值。

(t∪→△t)_n表示时间的任一有限部份,即每部分都是有限的但部份数却可以无限多。式中的t_n表示第n时刻值,△t_n表示第n时段的长度值。→△t_n表示第n时段,其中→△t=△t→l=(t1-t)→l,其中→l是单位向量,表示时刻只有增加的方向,即表示时段的唯一方向,又其中t1是后时刻或现在时刻值,t是前时刻或过去时刻值。

甲、时间外延的演绎推导:

A、∵t∈(-∞,+∞)[时刻无限多、刻刻不同]∴t_n∈(-∞,+ ∞)[t_n表示可以任意选定坐标系并任意选取n多个时刻值以比较其先后顺序]。

B、∵t∈(-∞,+∞)∩△t>0[时刻无限多、刻刻不同且时段单向延续]∴△t_n>0,即存在→△t_n [→△t_n表示可以任意选取n多个段长有限的单向时段以比较其长短]。

内涵表达了时间之尺是无尽永前的,外延表达了时间可以任意分刻测位或分段测长。

乙、时间推论的演绎推导:

时间由时元积成:t=∫dt。

其中时元dt=t1-t→0,dt的前时刻t为dt的极限值。

证明:∵△t>0[任选时段都大于0]∴△t=t1-t→0=dt[△t可以无穷小],∴t=∫dt。

因为时间的上述特性,所以我们才能够用不同的单位来测量时刻和时段的值。如物理学在国际单位制(SI)中,把测量时间的基本单位秒(s)定义为:铯-133的原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间;在天文学上的历书时中又把秒(s)定义为:1900年1月0日12时正回归年长度的1/31556925.9747;在生活中又常用毫秒ms、分min、小时h、日(天)d等等时间单位。

因为时间的上述特性,所以我们研究宇宙各部份变化规律的所有学问才可能产生。

因为时间的上述特性,所以在宇宙中万事万物才可能产生、变化和消亡!

第2点 空间

内涵U={r∈[0,+∞)}∩{r=ct};外延U=∑(→r∪u)_n=∑→r_n∪∑u_n

即内涵是无界永在,外延是各有限部份空间相对位置或大小的测量数值。

(→r∪u)_n表示空间的任一有限部份,即每部份都是有限的但部份数却可以无限多。式中的r_n表示第n个点的坐标值,u_n表示第n个有限点群大小的域积。

甲、空间外延的演绎推导:

A、∵r∈[0,+∞)[点数无限多、点点不同又点点平权]∴r_n≥0[[r_n表示可以任意选定坐标系并选取n多个点位数值以比较其位置的相对方位]。

B、∵r_n≥0[可以任意选点] ∴u_n>0[u_n表示互相联结着的点可以合而为一有限的点群区域,并且可以任意选取n多个点群以比较其大小]

内涵表达了空间之尺是无界永在的,外延表达了空间可以任意划分区域并测度各区域大小。

乙、空间推论的演绎推导:

空间由空元积成:u=∫du。

证明:∵u_n>0 [任选区域都可以无穷小] 即存在空元du,∴u=∫du。

因为空间的上述特性,所以我们才能够用不同的单位来测量空点相对位置和空域具体大小的值。如物理学上把测量长度的基本单位米(m)定义为:光在真空中行进1/299 792 458秒的距离,而常用的单位还有千米(km),分米(dm),厘米(cm),毫米(mm)微米(μm)纳米(nm)等等。又如中国的里、丈,英国的英寸、码,航空航海上的海里、节等等。在计算面积、体积时也一样可以使用不同的单位。

因为空间的上述特性,所以我们才能够把空间分解为不同的部份并研究它们之间的关系,产生了几何学、代数学和逻辑学。这一点在下面第三篇有关几何学、代数学和逻辑学的章节中有具体的论述。

第3点 质量

内涵M={m∈(0,+∞)}∩{dρ_η≠dρ_0};外延M=∑m_n=∑(ρu)_n

即内涵是无限永有,外延是各有限部份空间内填充内容多少的测量数值。

m_n表示质量的第n有限部份的静质量值,即每部份的静质量都是有限的但部份数却可以无限多。

甲、质量外延的演绎推导:

∵m∈(0,+∞)[总质量无限大]∴m_n>0 [m_n表示可以任意选取n多个有限部份以比较其多少]。

内涵表达了质量之尺是无限永有的,外延表达了质量可以任意分部并测度各部份数值的多少。

乙、质量推论的演绎推导:

质量由质元积成:m=∫dm

证明:∵m_n>0 [任选部份都可以无穷小] 即存在质元dm,∴m=∫dm。

因为质量的上述特性,所以我们才能够用不同的单位来测量具体物体所含质量多少的值。如物理学在国际单位制中的基本单位千克( Kg):纯水在4℃时的质量、中国的斤、英国的磅等等。

因为质量的上述特性,所以我们才能够通过化学研究找到分子和原子,才能够通过粒子物理学的研究找到质子、中子、电子、夸克等微观粒子。这一点在下面第三篇关于化学、粒子物理学的章节中有具体的论述。

因为质量永不均匀地布满空间,分布状态在随时地变动着,所以质量在改变空间的分布状态时便产生了物理学上称之为惯性或万有引力的可测量现象。这一点在下面第三篇关于牛顿力学和量子力学的章节中有具体的论述。

从上述三素各自的推论可知:时元值dt、空元值du、质元值dm都是无穷小变量,所以我们对时间(时刻、时段)、空间(点位置、距离、面积、体积)、质量(静质量、动质量)等的具体测量数值都只能够是近似值,这一点已经为量子力学上的“测不准原理所体验、测得。

宇宙三要素定义简表

概念

内涵1

内涵2

外延

时间

时间没有起始和终结

时间的增量总是正数

各时刻顺序或各有限时段的长短的测量数值

空间

空间里任一点都居中

空间永现于当前时刻

各有限部份空间相对位置或大小的测量数值

质量

宇宙的总质量无限大

永不均匀地布满空间

各有限部份空间内填充内容多少的测量数值

伽利略相对性打破了牛顿的绝对空间概念。力学相对性原理(伽利略相对性)要求物体的运动规律中必定不含有绝对速度,亦即绝对速度是无法测定的,否定了牛顿绝对空间的存在。

牛顿曾经对绝对空间的不存在感到非常忧虑,因为与其绝对上帝的观念不一致。事实上,即使绝对空间的不存在隐含在其定律中,牛顿也会拒绝接受。因为这个非理性的信仰,牛顿受到许多人的严厉批评,最有名的是贝克莱,他是一个相信所有的物质实体、空间和时间都是虚妄的哲学家。

亚里士多德和牛顿都相信绝对时间,相信人们可以准确地测量两个事件之间的时间间隔。时间和空间是完全独立的。

相对论改变了空间和时间的观念,否定了绝对空间和绝对时间。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欧几里得几何的绝对空间和无限延伸的闵可夫斯基空间 [1] 。广义相对论揭示存在空间-时间客体,指出空间-时间的性质与物体运动相联系。

爱因斯坦提出了革命性的思想,即引力不像其他种类的力,空间-时间是由于其质量和能量的分布而扭曲,造成空间-时间结构不是平坦的事实。对空间-时间新的理解是宇宙观的革命。

量子论的发展,对时间概念提出了更根本的问题。量子论认为对于一个体系在过去可能存在于什么状态的判断结果,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已经被记录,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。这种现 在与过去之间的相互关系,与因果顺序概念十分不同,暗含于时间概念中的因果序列要求过去的存在不依赖现 在。量子论还表明,在10-33厘米、10-43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 [1]

空间和时间是指事物之间的一种次序。空间用以描述物体的位形;时间用以描述事件之间的顺序。空间和时间的物理性质主要通过它们与物体运动的各种联系而表现出来。

在物理学中,对空间和时间的认识可以分为三个阶段:经典力学阶段、狭义相对论阶段及广义相对论阶段。

在经典力学中,空间和时间的本性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《自然哲学的数学原理》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、纯粹的数学的时间,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考系,或者以其他作绝对匀速运动的物体为参考系,惯性定律才成立。即不受外力作用的物体,或者保持静止,或者保持匀速运动。这一类特殊的参考系,被称为惯性参考系(惯性系)。

任何两个不同的惯性系的空间和时间量之间满足伽利略变换。在这种变换下,位置、速度是相对的,即相对于不同参考系其数值是不同的:长度、时间间隔是绝对的,即相对于不同参考系其数值是不变的,同时性也是绝对的。相对于某一惯性系同时发生的两个事件,相对于其他的惯性系也必定是同时的。另外,牛顿力学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。G.莱布尼兹、G.贝克莱、E.马赫等先后都对绝对空间、时间观念提出过有价值的异议,指出没有证据能表明牛顿绝对空间的存在。

爱因斯坦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系中力学规律具有同样形式,而且其他物理规律也应如此。在狭义相对论中,不同惯性系的空间和时间之间遵从洛伦兹变换。根据这种变换,同时性不再是绝对的,相对于某一参考系为同时发生的两个事件,相对于另一参考系可能并不同时发生。在狭义相对论中,长度和时间间隔也变成相对量,运动的尺相对于静止的尺变短,运动的钟相对于静止的钟变慢,光速在狭义相对论中是绝对量,相对于任何惯性系光速都是C [1]

空间和时间是共同描述质点运动的两个基本物理量,其国际单位制(SI)量纲分别为:长度 L(米),符号m;时间 T(秒),符号s。描述运动要准确指出质点在参考系(坐标系)中出现的时间和位置。物理学确立了质点在四维时空(一维时间+三维空间)中的变化规律。

牛顿的绝对空间和绝对时间。通常,为确定一物体的大小,要知其形状和尺寸。对于长方体,知其长、宽和高,利用欧几里得几何的公式就可计算其体积。为了确定一个可忽略大小的物体的位置,只要知道它相对于另一个可忽略大小的静止参照物的上下、左右和前后距离,同样利用欧几里得几何就足够了。描述运动物体,瞬间位置还不够,还需要知道瞬间的速度和加速度。由此,可抽象出三维空间坐标系和一维时间坐标的概念。物体的运动性质和规律,与采用怎样的空间坐标系和时间坐标来度量有着密切的关系。相对于惯性参考系(惯性系),惯性定律才成立。为了确定惯性系,牛顿抽象出三维绝对空间和一维绝对时间的观念。绝对空间满足三维欧几里得几何,绝对时间均匀流逝,它们的本性是与在其中的任何具体物体及其运动无关的。相对于绝对空间的静止或匀速直线运动的物体为参照物的坐标系,才是惯性系。

在经典力学中,任意一个物体对于不同的惯性坐标系的空间坐标量和时间坐标量之间满足伽利略变换。在这组变换下,位置、速度是相对的;空间长度、时间间隔、运动物体的加速度是绝对的或不变的。时间测量中的同时性也是不变的:相对于某一个惯性系的两个事件是否同时发生是不变的。相对于某一个惯性系同时发生的两个事件,相对于其他惯性系也必定是同时的,称为同时性的绝对性。牛顿力学的所有规律,包括万有引力定律,在伽利略变换下其形式是不变的。这一点可以抽象为伽利略相对性原理:力学规律在惯性系的变换下形式不变。同时,不变性与守恒律密切相关。运动物体在伽利略变换下的时间平移不变性,对应于该物体的能量守恒;在伽利略变换下的空间平移和空间转动不变性,对应于该物体的动量守恒和角动量守恒。

牛顿力学定律及其在伽利略变换下的不变性,促成对牛顿的绝对空间概念的怀疑。如果存在绝对空间,物体相对于绝对空间的运动就应当是可以测量的。这相当于要求某些力学运动定律中应含有绝对速度。但是,在牛顿力学规律中并不含绝对速度。换言之,牛顿力学定律的正确性,并不要求一定存在绝对空间。在牛顿提出绝对空间概念之后,先后有人对这种观念提出异议。事实上,没有有力的证据表明存在绝对空间。然而,随着牛顿力学和万有引力定律的极大成功,牛顿的绝对空间和绝对时间的概念,也一直在自然科学界和哲学界占据主导地位。

但是,在牛顿体系中无法建立简单的宇宙图像。一种简单的宇宙图像是:在无限大的绝对空间和无穷长的绝对时间中,无限多恒星或星系在其中大体静止,平均光度大致均匀。然而,这种朴素的宇宙图景,在万有引力的作用下是不稳定的,而且连为什么夜间天空是黑暗的这样简单的问题,都无法回答。

19世纪麦克斯韦总结出电磁学的基本规律麦克斯韦方程组,这组方程中出现了光速C。随后又发现了电磁波。受牛顿绝对空间和绝对时间观念支配的物理学界,自然认为在绝对空间中充满着光以太,麦克斯韦方程仅在相对于绝对空间静止的惯性系中成立,电磁波是光以太的波动。这种观念的必然推论是,在地球这个相对于绝对空间运动的系统中,麦克斯韦方程仅近似成立。电磁学或光学实验应该能够测量出地球相对于光以太的漂移速度。但是,所有这类实验都得到否定的结果。这表明,忽略地球的非惯性运动的效应,麦克斯韦方程仍成立,并不存在以太漂移。这样,牛顿的绝对空间和光以太观念都受到了挑战 [2]

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(或绝对的):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,存在能量动量守恒律。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时间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。爱因斯坦进而提出描述引力作用的广义相对论,再一次变革了物理学的时间空间观念。

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”,弯曲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偏转,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 [2]

宇宙是一个演化的整体。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,宇宙作为一个整体,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,前面提到的奇点,却又处在宇宙大爆炸的起点或星系核或黑洞的中心,这就给宇宙起源、星系演化带来新的问题 [2]

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、量子隐形传输、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、量子场论、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数量级。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十维空间上实现。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 [2]

弱作用左右对称性(宇称)等的破坏。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 [2]

暗能量和宇宙常数疑难。20世纪90年代末以来,天文观测有了很大的进展。已经确定,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困难。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。

在历史上任何一个阶段,人类对于空间和时间的认识,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 [2]


相关文章推荐:
空间 | 时间 | 狭义相对论 | 光速 | 洛伦兹变换 | 惯性 | 参照系 | 光速 | 光速 | 狭义相对论 | 量子力学 | 测不准原理 | 布朗 | 物理学 | 国际单位制 | 基本单位 | | 原子基态 | 精细 | 历书时 | 毫秒 | | 小时 | 千米 | 国际单位制 | 基本单位 | 千克 | 量子力学 | 测不准原理 | 伽利略 | 牛顿 | 绝对空间 | 力学相对性原理 | 贝克莱 | 亚里士多德 | 相对论 | 引力 | 空时 | 经典力学 | 欧几里得几何 | 闵可夫斯基空间 | 爱因斯坦 | 宇宙观 | 量子论 | 时间概念 | 因果序列 | 事物 | 次序 | 位形 | 顺序 | 物理性质 | 本性 | 自然哲学的数学原理 | 静止 | 参考系 | 匀速运动 | 惯性定律 | 惯性参考系 | 惯性系 | 伽利略变换 | 相对性原理 | 绝对速度 | 爱因斯坦 | 洛伦兹变换 | 同时性 | 光速 | 质点 | 基本物理量 | 国际单位制 | 坐标系 | 长方体 | 欧几里得几何 | 参照物 | 三维空间 | 坐标系 | 时间坐标 | 惯性参考系 | 惯性定律 | 惯性坐标系 | 伽利略变换 | 相对 | 绝对性 | 万有引力定律 | 变换 | 能量守恒 | 动量守恒 | 角动量守恒 | 牛顿力学 | 光度 | 麦克斯韦 | 电磁学 | 麦克斯韦方程组 | 电磁波 | 麦克斯韦方程 | 波动 | 漂移速度 | 效应 | 空间坐标 | 时间坐标 | 洛伦兹变换 | | 时空间隔 | 动量守恒 | 原子核物理 | 电磁场 | 波动 | 实物 | 光速不变原理 | 三维空间 | 闵可夫斯基 | 闵可夫斯基时空 | 度规 | 狭义相对性原理 | 引力定律 | 广义相对论 | 惯性力 | 引力相互作用 | 局部惯性系 | 引力 | 闵可夫斯基时空 | 引力场 | 时空 | 爱因斯坦引力场方程 | 场方程 | 弯曲时空 | 水星 | 奇异性 | 奇点 | 演化 | 宇宙论 | 宇宙学原理 | 各向同性 | 大爆炸宇宙模型 | 河外星系 | 红移 | 宇宙微波背景辐射 | 丰度 | 星系核 | 黑洞 | 宇宙起源 | 星系演化 | 量子理论 | 量子力学 | 空间位置 | 动量 | 量子纠缠 | 量子隐形 | 量子信息 | 因果性 | 量子电动力学 | 量子场论 | 量子色动力学 | 标准模型 | 真空 | 零点能 | 微扰论 | 对称性破缺 | 中间玻色子 | 宇宙常数 | 宇宙学常数 | 夸克 | 胶子 | 强子 | 尺度 | 自洽 | 量子引力理论 | 暗物质 | 暗能量 | 宇宙常数 | 弱作用 | 宇称 | 对称性 | 微观粒子 | 弱相互作用 | 时间反演 | 李政道 | 杨振宁 | 宇称不守恒 | 本质 | 暗能量 | 暗物质 | 量子场论 | 可观测量 |
相关词汇词典