李学生 （lixueshenglxs@21cn.com）　2007.05

word-break:break-all; word-break:break-all;

一、时空观的发展史

物理学家薛定谔认为，我们不用时空进行思维，我们根本就不能思维。宇宙按照其定义，就是一切事物：物质、能量、空间、时间，物理学所指的物质及其运动脱离不了时间与空间，space-time也不能脱离物质而存在，时间和空间作为物理学上有效的因素是本质上的因素，space-time观念是物理学中最基本的也是最重要的概念，任何对space-time观念的更新与深化，势必对整个物理学产生巨大的和革命性的影响，从中引出的任何结论都是普适的，任何物理定律均不能与之相矛盾。哲学家赖辛巴赫指出：“除了通过物理学以外，没有别的道路能解决时间问题。物理学和别的科学不同，它已过问时间的本性，如果时间是客观的，物理学家一定知道它，假如时间只是主观的东西且存在是无时间性的，那么物理学家一定能在其现实性的构成中忽略时间，并且不需借助时间就能描述世界……。要寻求时间本性而不去研究物理学，是无望的事情，如果有一个关于时间的哲学问题的解答，那么它是写在数学物理方程中的”

（一）、Newton的时空观

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。Newton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”。

Newton还指出：“相对空间是绝对空间的可动部分或者量度。我们的感官通过绝对空间对其它物体的位置而确定它，并且通常把它当作不动的空间看待。如相对地球而言的地下、大气或天体等空间都是这样来确定的”；“相对的、表观的和通常的时间，是期间的一种可感觉的、外部的，或者是精确的，或者是变化着的量度。人们通常就用这种量度，如小时、日、月、年，代表真正的时间。”这就是Newton的相对时空观。Newton的绝对时空概念，只是Newton对时空的一种数学抽象，这从“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，”可以十分明显地看出。其中‘数学’二字表明Newton怕别人误解而特意指明绝对时间是一种数学的抽象。Newton的相对时空概念，是整个Newton力学体系中的不可分割的组成部分。

从Newton力学的基本定律和概念出发，就一定要求有一个相对的实际可用的时空概念。物体的位置移动，就要求空间“空”；物体的静止，就要求空间保持相对的“不动”；物体的匀速运动，就要求空间“平直”、“均匀”；而且还要求时间相对的均匀，没有太明显的快慢节奏。反过来，只有相对时间和空间概念才能保证Newton力学规律的有效性和可操作性。在Newton的力学定律（包括惯性定律）的表达里没有明确指明，所谓“静止”、“匀速直线运动”和“运动状态的改变”是对什么参考物体而言的，只要具体情况具体指定就可以。在Newton力学中“力”是物体间的相互作用，这是与参考物体有关的，运动状态及其改变的参考物体就是原参考物体。Newton完全了解自己理论中存在有一些薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准——绝对或相对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态。

Newton承认，区分特定物体的绝对运动（即相对于绝对空间的运动）和相对运动，也非易事。不过，Newton是一个经验论者，他不能容忍在他的体系中存在先验的观念。他认为，物理的实在必须是能被感知的。那么，如何来感知他所规定的“绝对空间”呢?Newton设计了一个理想实验，用来判断哪些运动是相对于绝对空间的绝对运动。这就是著名的水桶实验，见前面的文章——运动的绝对性与相对性。

绝对空间在哪里？Newton曾经设想，在恒星所在的遥远的地方，或许在它们之外更遥远的地方。他提出假设，宇宙的中心是不动的，这就是他所想象的绝对空间。从现今的观点来看，Newton的宇宙的中心是不对的，因为宇宙没有中心。不过，Newton当时清楚地意识到，要想给惯性原理以一个确切的意义，那就必须把空间作为独立于物体惯性行为之外的原因引进来。Einstein认为，Newton引入绝对空间，对于建立他的力学体系是必要的，这是在那个时代“一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路”。

当代的物理教科书在讲Newton力学时，为避免“绝对空间”的提法，都采用“惯性参考系”的概念。据考证，这想法是德国物理学家朗格（L.Lange）提出的。在Newton力学的框架中，给惯性系下的定义是惯性定律在其中成立的一类参考系，即在此类参考系中，一个不受外力作用的物体总是作匀速直线运动的。若要再问，怎样知道一个物体没有受到外力呢？在一个参考系中，只要某个物体符合惯性定律，则惯性定律将对其它物体成立。我们把惯性参考系定义为“对某一特定物体惯性定律成立的参考系”，从这里我们再次看到，惯性不是个别物体的性质，而是参考系，或者说，时空的性质。用“惯性参考系”替代“绝对空间”，只是回避了Newton力学的困难，但是并没有真正解决问题。这样，在Newton力学的框架里，我们必须严格地区分“惯性”和“非惯性”两类参考系，在惯性参考系内，惯性定律和其它Newton力学定律成立；在非惯性参考系内，Newton三定律不成立。在所有惯性参考系之间，伽利略相对性原理成立，从而它们都是平权的。在非惯性参考系内则会出现一些“反常”现象。在普利高津看来，在近代科学的经典——牛顿力学中，时间作为一个描述运动的参数，是反演对称的，把 _t换为-t有相同的结果，这意味未来和过去看来没有实质性的区别。用时间的纯粹性很容易解释这一点：在牛顿力学中，物理定律是客观的，时间是纯粹的，纯粹的时间与客观的物理定律不发生直接的关系，既然如此，用-t替换t当然不会改变物理定律的形式。

（二）、马赫的批判

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，Newton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Newton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、贝克莱、马赫等先后都对绝对空间、时间观念提出过有价值的异议，指出过没有证据能表明Newton绝对空间的存在。但是，绝对时间和绝对空间毕竟是人为的抽象，经不起实践的检验和严密的审查。二百多年来，引起过不少人的怀疑和争议。到了19世纪末，奥地利物理学家马赫（ErnstMach，1838—1916）在他的《力学史评》中深刻地分析了Newton力学的基本概念以及由其反映的机械自然观，作出了深入的批判。例如：马赫不同意把惯性看成是物体固有的性质，认为在一个孤立的空间里谈论物体的惯性是毫无意义的，提出惯性来源于宇宙间物质的相互作用。他针对Newton的绝对时间和绝对空间，驳斥道： “我们不应该忘记，世界上的一切事物都是互相联系、互相依赖的，我们本身和我们所有的思想也是自然界的一部分。”“绝对时间是一种无用的形而上学概念”，“它既无实践价值，也无科学价值，没有一个人能提出证据说明他知晓有关绝对时间的任何东西。”马赫还指出，绝对运动的概念也是站不住脚的。他写道： “Newton旋转水桶的实验只是告诉我们，水对桶壁的相对转动并不引起显著的离心力，而这离心力是由水对地球的质量和其他天体的相对转动所产生的。如果桶壁愈来愈厚，愈来愈重，最后达到好几海里厚时，那时就没有人能说这实验会得出什么样的结果。”

1883年，马赫在《力学的科学》一书的第二章第6、7节《Newton关于时间、空间和运动的观点》中写道：“没有必要在这里提出的回顾中来评论Newton，说他的行动又一次与他所提出来的只研究实在的事实的意图相矛盾。谁也没有资格预言有关绝对空间和绝对运动的事情，它们是纯粹思维的东西，是纯粹思维的产物。经验不可能产生它们。我们的力学原理，就象我们详细讲述的那样，是关于物体相对位置和运动的试验知识，即使它们现在在一些领域内被人们认为是有效的，但它们不会，也从来没有不经过实验检验就被接受的。任何人都没有理由把这些原理扩展到经验范围之外。事实上，这种扩展是无意义的，因为没有人具有必要的知识去利用它。”

马赫在《发展中的力学》一书中写道：“如果我们说一个物体K只能由于另一物体K′的作用而改变它的方向和速度，那么，当我们用以判断物体K的运动的其它物体A、B、C……都不存在的时候，我们就根本得不到这样的认识。因此，我们实际上只认识到物体同A、B、C……的一种关系。如果我们现在突然想忽略A、B、C……，而要谈物体K在绝对空间中的行为，那么我们就要犯双重错误。首先，在A、B、C……不存在的情况下，我们就不能知道物体K将怎样行动；其次，我们因此也就没有任何方法可以用以判断物体K的行为，并用以验证我们的论断。这样的论断因而也就没有任何自然科学的意义。”就是这样，马赫揭示出抛开一些物体(A、B、C……)用所谓绝对空间来描述运动是不可能的。绝对空间是缺乏自然科学的意义的。根据这种观点，马赫认为Newton水桶中水面的形式，并不反映水桶是否相对于绝对空间有转动，而是反映水桶相对于地球和其它天体是否有转动。水面变凹，并不是由于绝对转动引起的，而是由于宇宙间各种物质相对于它们转动的水桶的作用结果。无论是水桶相对于宇宙间物质进行转动，或者是宇宙间物质相对于水桶在转动，二者结果是一样的，因为水面都会同样地变凹。因此，水面变凹仅仅能证明水桶与宇宙间其它物质(A、B、C……)之间有相对转动，而不能证明绝对空间的存在。马赫对水桶实验的分析，表现出他不仅把匀速运动看成是相对的(没有一个相对于绝对空间的绝对速度存在)，而且把加速运动也看成是相对的(没有一个相对于绝对空间的绝对加速度存在)。

马赫的批判存在着三个问题。其一，Newton很清楚绝对空间和绝对时间是纯粹思维的东西，是纯粹思维的产物。因为Newton把书取名为《自然哲学之数学原理》，绝对空间和绝对时间当然也是数学抽象了。而且他直截了断地把绝对时间称为数学时间；其二，Newton不仅有绝对空间和绝对时间的概念，而且也有相对空间和相对时间的概念。Newton的相对空间和相对时间的概念和我们实际上的时间和空间的概念没有什么根本区别，很清楚，Newton的相对时空是绝对时空的一部分，是对绝对时空的量度，马赫用相对时空去否定绝对时空并不高明；其三，马赫和Newton一样，并不明白Newton力学中最根本的问题是力的本质没有解决。如果弄清了力是物体的相互碰撞，我们只要把碰撞迭加到所研究的对象上，碰撞正好相互抵消的就是惯性系，否则就是非惯性系了。因此，自然规律的形式就只同碰撞有关而和坐标系的选择无关，一切参照系具有同等的地位，没有一个参照系处在特别优越的地位，从而根本无法探测到参照系本身的运动，把惯性系、绝对运动、绝对空间真正地驱逐出实验科学的范围。

（三）、绝对时空观的实际意义

我们知道，在火车上会产生这样一种有趣的景象：顺着火车运动的方向，近处的物体相对于远处物体在倒退，远处的物体则相对于近处物体在前进。也就是说，近处的物体相对于远处物体有一个向后的位移，同样地，如果地球真的在运动，在地球轨道半径两端，就应该看到比较近的恒星相对于比较远的恒星有一个位移。这种现象在天文学上叫做视差位移，也就是地球轨道半径在该恒星处的张角。称为恒星的视差。恒星的视差很小，只有零点几个角秒。一直到十八世纪，终于测出了恒星的视差，证实了地球确实是在绕太阳转动着。这也就是人们测到了地球真的是在绕太阳转动。

因为人的眼睛所看到的物体的大小与物体和人的距离有关。同一个物体越远看起来就越小。如果物体在无穷远处，物体的大小就退缩成一点，物体运动的任一距离也退缩成一点，不难想象物体运动的速度永远为0，因此，无穷远坐标系就是一个绝对不动的坐标系。其实。天文上的恒星坐标系就是一个近似的绝对坐标系。同样地，我们完全可以把无穷远的天球看成是一个绝对不动的空间——绝对空间。

同样地，时间的精度也在不断地提高。第一台铯原子钟的发明，使得时钟的误差从摆钟的每天千分之一秒、石英钟的每天万分之一秒，精确到30万年不超过一秒。在大多数人眼里，一秒钟只不过是时钟“滴答”一下。但是，对于许多实验物理学家来说，看似简单的“滴答”一下却是一个漫长的过程：铯原子在能级跃迁时要振荡9192631770次。相应的一秒钟精度，也就到了小数点后第9位。美国国家标准与技术研究所(NIST)和位于法国巴黎的国际标准局(BIMP)对时间的控制，实际上已经达到1亿年误差不超过1秒钟的水平。如果采用更高更稳定的可见光频率来计时，与每秒高达10 ¹⁴的光学振动相比，原子的10^９振动频率差了5个数量级。而伽玛射线的上限频率目前还未发现。我们以后得到的时间精度会更高。总而言之，尽管绝对时空并不存在，随着科学技术的不断发展，人们发现的恒星会越来越远，时间精度会越来越高，也就是说，人们正是由相对时空向绝对时空无限靠近。这就是绝对时空的实际意义。

（四）、Einstein的时空观

Newton认为space-time与外界事物、时间与空间无关的观点具有一定的局限性，而且它们相互之间是矛盾的，既然绝对空间是不动的，为何相对空间又是可动的部分？Newton失败根源有两个方面：一.他没有真正认识观测者的时空尺度的真正含义，他在观测其它物体变化的同时完全忽视了观测者自身物质变化。观测者的时空尺度就是其“自身”，其在对别的物质观测的同时会以自身作为直接或间接的参照系进行对比。认为时空尺度是凌驾于物质运作之外的东西，无疑等同于将自身凌驾物质运作之外。二.他将物体绝对粒子化，而不知其也是种场，是其能媒体系运载的能量场。Einstein指出：“相对论和时间与空间的理论有密切的关系”，在相对论的所有推理过程中，都离不开时间和空间的性质，虽然其所表述的高速世界运动规律的科学结果。Einstein的相对论不仅标志着人类科学思维的一大进步，而且是我们今后相当一个时期科学发展的新的起点，是值得我们进一步思考下去的通向新的辉煌的通道。因为这里讨论的本质上是关于时间和空间的理论，这几乎是一切科学的基础。Einstein推广了相对性原理，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。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。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，相对于任何惯性参照系光速都是c。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宇宙，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。实际上，空间化的时间可以与空间一起处理。在时间空间化最为明确显著的近代物理学中，space-time完全是作为一体的。在Newton运动方程中，时间t如取负值，方程依然可以成立，表明Newton力学是时间可反演的；在Einstein狭义相对论中，时间的空间化进一步被形式化、完备化，时间、空间成为space-time。闵可夫斯基说了一句富有诗意的话：“空间本身，时间本身，最终都会像影子般地消失在黑暗之中，只有这两者的形式的结合，才能保持它独立的客观实体。”

狭义相对论中有一个“时空间隔”（或谓“事件间隔”）的概念:“如果两个事件彼此无限接近，那么，其间隔dS将满足下面的方程：（dS）²=C²(dt)²-(dx)²-(dy)²-(dz)² ” 【1】。前人借用这个概念，把“光速不变的原理”表述成“dS≡0”，即“由光速不变的原理，我们可以断定，假如两个事件的间隔在某一个坐标系统内为零，那么，它在所有其他系统内均为零” 【2】。前辈通过对“时空”、“运动”进行分析与观察，把光速不变的原理（dS≡0）推广到了dS为非零值的情形：“我们得到一个很重要的结论：两个事件的间隔在所有的惯性参考系统里都是一样的，即当由一个惯性参考系统变换到任何另一个惯性参考系统时，它是不变的。这种不变式也就是光速不变的数学表示” 【3】——这就是“时空间隔的不变性”。

运动着的物体所占有的空间是变动不居的，描写这种变动的就是时间，时间作为广义的空间结构的一个维度。时空不是独立的存在，时空是物质的时空，时空是物质世界的表象，物质本体改变了，其表象必随其变。空间与时间在表述物质时，各有侧重：空间侧重于表述物质相对静止的状态，时间侧重于表述物质相对变动的过程。物质的存在是相对变动中的存在，静止是变动中相对的静止，从这一角度可以认为：物质是变动与静止的统一体，是时间和空间的统一体。时间和空间是不可分的，譬如：当我们看到时钟指针的空间状态就知道时间的位置，知道时间状态就可以推出时钟指针的空间位置；在譬如：当我们知道一个人的形体容貌就可推出其正常条件下的大致年龄及寿命，知道一个人的性别及年龄就可知道其大致的形体发育状态。

Einstein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space-time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欧几里得几何的绝对空间，也不再是经典力学中的无限延伸的闵可夫斯基空间。总之，在广义相对论中，space-time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space-time的性质也决定于物体及其运动本身。

按照广义相对论的阐述，坐标系的度量应该和物质分布有关.而狭义相对论研究的是物质分布均匀的平度空间. 在平度空间里，或者在局部坐标系的局部邻域里，物质分布被认为是均匀的。因此同一方向的度量是一致的，度量空间是线性空间。在相对运动的坐标系之间，无论是平度空间，或者局部邻域的局部坐标系，度量的变换关系是线性变换。

以相对论力学为基础的现代物理学认为空间、时间与物体的运动状态存在着密切的联系，时间、空间是相对的，但也认为静止质量是绝对的。Einstein的广义相对论其伟大功绩是找到了物质的存在和运动如何影响space-time结构的方程，通常成为Einstein场方程。广义相对论“在现有的物理理论中，它也许是最美丽的。” Einstein提出了两条原则：①对应原则——在一个理论的基础上创立更为全面的理论时，原来的理论作为一个极限情况继续存在下去；②逻辑简单性原则——在一个新的理论中，独立的逻辑元素，即不定义的概念与推导不出的命题，应该比原有的理论更少。 Einstein的广义相对论是关于宇宙的的最出色的描述，它所描述的是构成宇宙的物质本身：空间与时间，把空间和时间当作一种平滑的连续的组成成分来对待，而物质的引力质量使之扭曲。广义相对论把引力效应具体化为，宇宙中物质和能量的分布引起space-time的弯曲和畸变，能量总是正的，它赋予space-time以曲率，space-time中的物体或光线企图沿着直线运动，曲率使轨道向对方弯折，它们的运动像是受到引力场的作用，广义相对论使space-time弯曲，把它们从被动的事件发生的背景改变成为发生的事件的动力参与者，Einstein的广义相对论和大量的实验相符，它指出时间和空间是非常复杂地相互纠缠在一起，人们不能单独使空间弯曲而不涉及时间，这样时间就有了形态，然而它只能往一个方向前进。（5）广义相对论认为: 一个物体使自已周围space-time弯曲, 另一物体在弯曲space-time中沿短程线运动, 这就是引力的本质。由广义相对论引力场方程和短程线方程, 在线性近似下得到另一组方程 (1-3)，(1-4)

这组方程成功解释了行星近日点的移动。光子经过太阳附近时受到太阳的吸引而改变方向,由(1-3)—(1-4)式求出的光偏折角是Newton理论预期值的一倍。实际观察结果是与广义相对论一致, Einstein取得巨大胜利。随后人们观察到从太阳发出的光线到达地球时其频率由变为，(1-5)

广义相对论用引力势场中不同点时间间隔不同解释了这个实验结果。所以人们认为上述三个经典相对论引力实验支持广义相对论, 并且进一步得到space-time是弯曲的结论。广义相对速度表达式

　　式中表明，近处物体或大质量物体对研究物体的广义相对速度影响较大。一个小质量物体A从远处靠近一个大质量且广义相对速度不为零的物体B，如果它相对B的速度不变，那么它的广义相对速度必然发生变化。然而在不受力的作用、物体处于惯性运动的情况下，它的广义相对速度是保持不变的，所以上面所说的过程，A相对B的速度要发生相应的调整。定性分析得知，A接近B时，为了保证A的广义相对速度不变，A、B之间的相对速度必将减小，从而可以说，大质量的B部分地同化了小质量的A的运动速度。当然，A也部分地同化了B的运动速度，只是质量比例很小而表现得更加微弱。Einstein的相对space-time观与Newton 的绝对space-time观分别看到了问题的一个方面，有一定的局限性，因此应正确理解space-time的绝对性与相对性的辩证关系。

参考文献：

【1】见《场论》（л.д.朗道 E.M.栗弗席兹著，任朗、袁炳南译）L14-16，P6

【2】 见《场论》L12-13，P6

【3】 见《场论》L21-23，P7

网站简介　投稿指南　特别声明