科學時空觀的歷史進及其特點

摘要：時空觀的科學演進，伴隨著兩個重要特點，一是減少并消除絕對性；二是挖掘并增加相對性。時空認識的大變革是物理學和科學技術大變革的前提和基本標志。時空認識的每一次科學革命都要帶來科學技術的巨大進步，進一步尋求對時空的科學認識有著重要的積極意義。

關鍵詞：時空觀；時空觀的絕對性；時空觀的相對性；科學演進

中圖分類號：B016.9 文獻標識碼：A 文章編號：1003－854X(2007)08－0024－03

人類對時空的科學認識經歷了漫長的歷史演變過程。時空觀的科學演進，伴隨著兩個重要特點，一是減少并消除絕對性；二是挖掘并增加相對性。歷史證明，時空認識的每一次科學革命都要帶來科學技術的巨大進步，20世紀愛因斯坦對時空認識的新飛躍，對科學技術進步的貢獻尤為巨大。因此，尋求對時空的科學認識有著十分巨大的積極意義。

一、遠古平面(直覺經驗)時空觀

在遠古時代人類的活動范圍很小，生產力低下，更談不上什么科學技術，只知道上有天，下有地，平平的地面向四周延伸，大地是平直的概念也就從經驗中產生了。一個容器，最切身的體驗是居住的房間，上有頂，下有地，四周有壁，于是又構成了頭腦中的上下四周的“空間”概念。高山從平地升起，地窯在平地以下，可見空間是可以上下延伸的。在房間里或天地間，我們既可以向前走，也可以向后走，既可以向左走，也可以向右走。也就是說平面上的方向是相對的，哪一個方向都是可以隨意運動，無限延伸的，但上下的方向卻有些特殊。高處的東西可以下落，直至掉進井底，而井底的東西卻不能反“掉”上來。因此“空間”的上下是不可顛倒的。

為了比較空間的大小，古人需要創造空間的測量方法。起先古人由于沒有公認的標準長度作單位，所以測量的結果是很不一致的。在古代，有些部落甚至用首領的腳長作單位，有些則又用臂長作單位，首領換了單位也就不同。相同的物體測量的結果不一樣引起了不少的混亂。后來長度單位逐漸統一了。在中國，這項偉大工程是由秦始皇完成的。從此，相同的物體也就有了相同的測量結果。在致力于消除測量混亂中，古人是基于一個最基本的概念的，這就是客觀物體的長度(時空量度)是固定不變的，要不，統一單位就沒有意義了。

這是人類對空間概念認識的第一個歷程。

一切自然現象都在運動和變化之中，“過程”的流逝是一切自然現象和人類活動的基本特征。盤古開天。耶酥創世，都代表記時的開始。人類從“過程”的流逝中又抽象出了時間概念。我們的古人很早就注意到，一切周期變化的過程都可以用來作為時間的測量單位。古人觀察到的最簡單的周期變化有日出日落，月圓月缺，有四季的周期變化。于是測量時間的記時單位是日、月、年也就產生了。也許古人從泉水滴漏中得到了啟示，于是古人又創造了滴漏計時器，時間的計時單位一下子縮短到了一滴水滴下的過程，這就有點接近今天的分與秒了。古人對事物具體“過程”的長短也認為是固定不變的，或者用今天的話說，古人在日常經驗中看不出“時間”與物體“運動狀態”有什么聯系。

古人對時間的認識還有另一個重要特點，那就是時間的單向性。人死了不能復生，這表明事物在發展演變中，其過程都是不可逆反的。過程的不可逆，帶來了時間認識上的單向性。時間的發展方向總是從過去流向未來的。

空間的上下不等價，時間的前后不等價，長度、時間間隔的不變性，這就是我們所說的人類遠古平面(直覺經驗)時空觀。

二、古代球對稱時空觀

兩千多年前亞里士多德和托勒密建立了“地球中心說”。他們認為宇宙是有限的球體，圓形的地球靜止地居于中心；日、月、星辰都圍繞著地球運轉；月亮、太陽、行星和恒星分別處在不同的球殼上；它們都作完美的圓周運動。在亞里士多德的理論體系中，人類生活的大地不是平板式的，而是圓球形的。這是時空觀的第一次大革命。人類生活的大地不是平面，而是球面，在球體上，上與下的概念就變得不是絕對而是相對的了。在球體的一邊認為是朝上的方向，而在球體的另一邊則被看作是向下的方向了。反過來也一樣。上與下的空間概念，一下子由唯一的180°的直線方向轉而變成了360°的任意方向!怎么能想象，人類生活的廣闊地面一下子變成了一個沒有嚴格上下方向的球面呢?這顯然是與人的直接經驗相違背的。兩千多年前的亞里士多德，敢于沖破古人對平面空間的看法，主張地球是一個球形，對宇宙給予了統一的解釋，宣布經驗只能在局部范圍內適用，這是很了不起的。可以想到，樹立球形的地球觀念是需要克服相當大的成見所帶來的阻力的。上與下是相對的，空間的各個方向是等價的，沒有哪一個方向具有特別的優越性，這就是空間方向的相對性。空間方向由絕對到相對，人類在認識時空上朝科學時空觀邁出了關鍵的一步。

亞里士多德空間雖然方向是相對的，但空間的不同點卻有著不同的特性。這與平面時空觀有相通之處。亞里士多德球面時空觀仍然保留著空間位置的絕對性。在地球中心說中，物體在宇宙中的位置具有關鍵的作用。地球的球心就是宇宙的中心，每個物體在運動中只要沒有阻擋，都力圖達到各自的天然位置。物體之所以運動是因為它們沒有達到自己的天然位置。地球附近的物體天然位置是地球的球心。亞里士多德說這是落體運動的真正原因。這樣，在亞里士多德的時空觀里，地球球心的位置就是非常特殊的。在支配萬物運動的自然規律中，這個點具有決定性的作用。這就是空間點的絕對性。這樣亞里士多德空間雖然具有各向同性的性質，但空間各點的位置并不等價。

亞里士多德的理論基本上是一個定性的理論，幾乎沒有定量的物理定律，因此該理論對時間的理解并沒有什么新的突破，時間仍是過程流逝的伴隨物，一切過程的時間測量也與坐標系的選取無關，時間是絕對的，而且具有單向性。總之與遠古平面時空觀相比，亞氏時空觀消除了空間方向上的絕對性，而保留了其它絕對性。

三、牛頓絕對時空觀

16世紀以前在西方，亞里士多德時空觀統治了近一千九百年之久，亞里士多德的學說成了科學進步的嚴重障礙。到了16世紀，哥白尼創立了“日心說”，認為太陽居于行星系的中心，地球和其他行星繞著太陽運轉，“地心說”從此開始動搖。此后，布魯諾、伽利略、牛頓又為日心說奮斗了許多年，布魯諾甚至為此獻出了寶貴的生命。以哥白尼——伽利略——牛頓為代表的新科學，否定了地球中心的特殊地位。牛頓的引力定律

表明，蘋果可以落到地球上，照樣可以落到月球上，蘋果落地和月亮繞地球運行是同一個原因引起的。地球的球心同月球的球心一樣，在空間不斷地變動著。伽利略則更明確地指出，物理定律的形式與相互勻速運動的坐標系的選擇無關。因而牛頓力學中沒有地球的中心地位，任何空間點都是平權的。相對于任何時空點來計算，物理規律都是一樣的，空間被看作脫離物質并且供萬物表演的舞臺。牛頓力學時空觀消除了時空點的不平權性。然而，時空點平權了，但卻帶來了時空的絕對均勻、平直性。不過，這個絕對平直性在廣義相對論中得到了消除。

像抽象空間一樣，牛頓把時間也從物質演變過程中抽象出來，變成既脫離空間，也脫離物質的任意流逝的客觀物。在牛頓第二定律中

給定初始條件，我們既可知道物體的現在，又可以知道物體的未來，還可以知道物體的過去。時間沒有起點，于是時間的單向性也由相對性取代了。不過我們要注意，牛頓力學的時間可逆性，并不意味著牛頓力學體系中人可以死而復生，而是意味著時間的前后是無窮的，既可流向未來也可流向過去。時間的流向在牛頓第二定律中是可逆的。這就是時間流向的相對性。

牛頓力學的時空觀與亞里士多德時空觀相比，雖然減少了絕對性，增加了相對性，但同樣也還保留有絕對性。牛頓說：“絕對空間，就其本性來說，與任何外在的情況無關，始終保持著相似和不變。”“絕對的，純粹的數學時間，就其本身和本性來說，均勻地流逝而與任何外在的情況無關。”空間可以脫離物質的運動，時間也可以脫離物質的運動，空間與時間也無關系，因此，時空舞臺中的空間距離和時間間隔都是絕對的。用今天大家熟悉的話說，即長度和時間與坐標系的選擇無關，物理定律在相對勻速運動的坐標系中形式不變。

總之，牛頓力學時空觀，消除了亞氏時空觀空間點的絕對性——時空點的不平權性和時間方向的絕對性——時間的單向性，而保留著時空間隔的絕對性。

四、愛因斯坦相對性時空觀

相對論中同時性是相對的。

牛頓力學中的時間絕對性可以用“同時性”的絕對性來加以說明。所謂同時，就是兩事件同時發生(時間間隔為零)之意。通常我們總是認為“同時”這個概念是絕對的，不管對靜止的坐標系地球，還是對運動的坐標系宇宙飛船都是如此。這表明，在牛頓力學中對一個坐標系“同時”發生(時間間隔為零)的事件，對其他任何坐標系也都“同時”發生。其實這個習慣并不完全正確。相對論中同時性是相對的，它決定于選用哪一個參考系，或者說相對論中時間間隔是相對的。當參考系變化時，同時的事件可能變得不同時，不同時的事件可能變得同時。可見，相對論與牛頓力學相比，又挖掘出了一個同時性的相對性，或者說又挖掘出了一個時間間隔的相對性。

相對論中距離概念也是相對的。

說明距離相對性的典型理想實驗系統是愛因斯坦火車——地面系統。設想勻速運動的火車上有兩個特定點A′、B′，若在火車上測量的長度為L′，如何在地面上測量這兩點間的距離呢?愛因斯坦的辦法是在火車飛速馳過時，由火車和地面上甲乙兩人在給定時刻分別對A′B′同時拍照，測量A′B′的長度。由于相對論中“同時”性是相對的，與參照系的選擇有關，因此，對不同參照系來說，要按照各自的“同時”進行拍照，這樣導致的結果顯然是不會相同的。物體的長度與坐標系的選擇有關。兩個相對勻速運動的坐標系，甲看乙的長度在運動方向上收縮了，乙看甲的長度也在運動方向上收縮了，動系和靜系的長度不相等。相對論時空觀又挖掘了一個長度的相對性。

時間的相對性與長度的相對性表明，世界上沒有絕對坐標系存在，時空與坐標系的運動狀態是直接相關的，不同運動狀態的坐標系中時間和空間測量結果不相同，動系與靜系不同時也不同長。人類在認識時空上，又朝消除絕對性，增加相對性上邁出了歷史性的一步。

相對論中，反映上述時空特性的變換是洛侖滋變換，它給相對論時空觀留下了兩個不變性：其一是光信號對時的唯一性；其二是光速不變性。任何能量的傳遞速度都不能超過光速。此外，在狹義相對論中，“空”的時空仍然存在著，時空仍是物質運動變化的舞臺。沒有物理意義的坐標系的運動對時空的影響，給物理學家和哲學家留下了思索的疑點。時空難道只是坐標系的運動效應而與物質本身的運動沒有關系?

我們將要指出，狹義相對論中觀察世界所用的中介信息——光，是在參照系到坐標系的轉換中抽掉的。觀察信號引起的物體時空形象的變化也在這種轉換中變成了坐標系的固有屬性。在廣義相對論中時空與物質的分布有了聯系，物質的分布狀況決定了時空的彎曲程度。質量塊附近，時空彎曲變形。在彎曲時空中，物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動，質量塊振動，時空變化，形成引力波。光在彎曲的時空中運動，速度的方向也是可變的。與狹義相對論相比，廣義相對論消除了時空的平直性和光速度方向的不變性，這似乎又朝挖掘時空認識中的相對性邁進了一步。

相對論時空觀給科學技術進步帶來的巨大效應是眾所周知的，這應歸功于相對論時空觀中相對性的新發現。然而相對論仍然留有絕對性——觀察信號(光)的唯一性。去掉這個不變性，或許是完善科學時空觀的進一步要求。

五、時空與現代物理學

總之，現代物理學意義上的時空概念起源于牛頓的“絕對時空”。絕對時空概念使得時空成為所有物理客體表現的背景。背景化的時空有利于將歐氏幾何的數學特征賦予空間，背景的不變性，使得物理學家可以排除客觀世界中紛雜的各種聯系，抓住物理世界的主要矛盾。這為物理學的科學化走出了第一步，形成了時空在物理學發展中的第一個作用：作為背景的時空。物理學進入20世紀，僅作為背景的時空表現出明顯的與經驗上的沖突，時空的物理作用通過相對論的產生被闡釋出來，時空概念具有了新的內涵：它不僅是“舞臺”，而且成為“演員”。時空概念表現出它的新的發展階段：具有物理作用的時空。宇宙學和粒子物理的發展，引力場論、量子場論等當代物理理論將時空的同義詞“場”推到了物理學研究的最前沿，時空是一個物理實在，作為一種特殊的物理對象是物理學的研究重要目標。時空概念又演進到了一個新的階段：成為物理對象的時空。時空概念的地位和作用的變化，體現在人類認識過程中，理性和經驗、人與物理對象的相互作用。從人類經驗綜合和抽象化而得到的概念，不應該是靜止的、絕對化的，而應隨著人類的認識和實踐的發展而發展。新近美國的威爾金斯探索衛星發現宇宙中不僅存在微波背景輻射，而且這種輻射具有各向異性。各向異性的微波背景輻射當然不能作為宇宙中整體的絕對慣性系，但是可不可以作為局域慣性系呢?如果可以的話，那么是不是以太論又在某種程度上復活了呢?而且時空的均勻性也只是相對的?這個問題不僅是對狹義相對論的科學基礎提出了挑戰，而且更是對現代科學哲學時空觀的新挑戰。時空探索任重而道遠。

人類對時空的認識幾千年來盡管眾說紛紜，但主流脈絡卻是清晰可見的。在無限時空與有限時空的爭論中。無疑無限時空好像更有說服力。而絕對時空與相對時空的討論，物理學中相對論的誕生，使人們更加確信相對時空的優越性；神創時空在物理學中不可能有人再舊調重談；廣義相對論、量子場論，對非虛空的支持，誠然使人類對自然界中虛空的存在增加了更多的懷疑。人類對時空的認識在逐漸完善，但人類對時空的認識并沒有窮盡，物理學的發展使人類對時空的認識將更加深入、深刻。人類對時空的認識還在發展中。

自然界中的一切現象都是通過觀察發現的，而觀察必須引進觀察使用的中介信息。不同的觀察信息，有不同的觀察結果，根據觀察結果建立的理論，與觀察信息相關。同樣，又一個很自然的問題產生了，如果愛因斯坦相對論中的觀察信號，不用光，而用別的什么信號，所得的時空框架還相同嗎?顯然，人類對時空的認識與觀察物體運動狀態的中介場信息的屬性相關。場信息不同，時空的表現也各異。

當然，還有一個很自然的問題，就是觀察結果與觀察者的生理結構相關。不同生理結構的觀察者，觀察同一個自然現象所得的結果，也是不同的。人只是宇宙生物的普通一員，“自然界”是宇宙中“全部生物”觀察結果的總和。

是否可以這樣說，我們今天習慣了的時空，是借助于光(或引力場)信息及人的生理結構建立起來的，如果人類一旦能用上述兩種場以外的別的什么場來觀察物體的運動，或者吸收“另類”生物對時空的合理“反映”，那么人類在時空觀念上將又會產生一個巨大的突破。在那樣的時空中物質的存在形式將可能有新的變化。

責任編輯 陳金清