淺談時(shí)間與空間的關(guān)系

李可為

摘 要：時(shí)空觀可以說是人類認(rèn)知物理世界的一塊基石，人們對(duì)于時(shí)間與空間的認(rèn)知也在不斷的發(fā)生著變革。從經(jīng)典時(shí)空觀到相對(duì)論時(shí)空觀，人們對(duì)于時(shí)間和空間的觀念似乎變得愈發(fā)明朗，我們也似乎越來越接近事實(shí)和真相，但是我們對(duì)于整個(gè)物理世界的認(rèn)知永遠(yuǎn)不會(huì)止步。

關(guān)鍵詞：時(shí)間、空間、時(shí)空觀、經(jīng)典時(shí)空觀、相對(duì)論時(shí)空觀

引言：談到時(shí)間與空間，我們對(duì)這兩個(gè)概念一定不會(huì)陌生，從我們小時(shí)候所接受的時(shí)空觀——即時(shí)間就是均勻而獨(dú)立的變化的到我們長(zhǎng)大后所接觸到的相對(duì)論的一種嶄新的時(shí)空觀，我們關(guān)于時(shí)間和空間究竟是什么，它們之間究竟有什么聯(lián)系的思考也越來越深入，但是就是對(duì)于這個(gè)物理學(xué)中最基本的問題，我們至今也沒有給出一個(gè)完全完美的解釋，那么我們的時(shí)空觀究竟經(jīng)歷了哪些變革呢？

一、從經(jīng)典時(shí)空觀說起

經(jīng)典時(shí)空觀以牛頓的時(shí)空觀為代表，牛頓認(rèn)為，時(shí)間與任何外在事物都是無關(guān)的，時(shí)間是在均勻而獨(dú)立的變化，他所提出的就是一種絕對(duì)時(shí)間的觀念；同樣的，空間也是處于一個(gè)絕對(duì)空間的概念，其量度永遠(yuǎn)是絕對(duì)的，且與外界事物無關(guān)。牛頓的這種絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間的概念，與他所建立的整個(gè)運(yùn)動(dòng)體系不無關(guān)系，經(jīng)典運(yùn)動(dòng)學(xué)定律正是存在于這種絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間的框架下的，牛頓運(yùn)動(dòng)定律在伽利略坐標(biāo)變換下是協(xié)變的，其滿足經(jīng)典力學(xué)相對(duì)性原理，而絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間本身在伽利略變換中也是協(xié)變的。在這種空間下，空間是處處相等的，是各向同性和三維歐幾里德空間。

總的來說，經(jīng)典的時(shí)空觀是滿足以下三點(diǎn)的：第一，同時(shí)性是絕對(duì)的。即對(duì)于一慣性參考系來說，如果兩個(gè)事情是同時(shí)發(fā)生的，那么對(duì)于其他慣性參考系來說，兩件事情也是同時(shí)發(fā)生的；第二，時(shí)間和空間是絕對(duì)的。時(shí)間是在獨(dú)立而均勻的變化，且其變化不受參考系選擇的影響，而空間的坐標(biāo)變化也是絕對(duì)的，在任一慣性參考系下都是如此；第三：時(shí)間和空間各自獨(dú)立，互不相關(guān)。在經(jīng)典時(shí)空觀中，時(shí)間和空間具有絕對(duì)性，且時(shí)間和空間脫離物質(zhì)本身而存在，其存在與物質(zhì)本身是沒有關(guān)系的。

二、談相對(duì)論時(shí)空觀

就在世人都認(rèn)為科學(xué)的大廈已然建成之時(shí)，卻沒發(fā)現(xiàn)一場(chǎng)巨大的變革正孕育在幾朵烏云之后——那就是量子力學(xué)和相對(duì)論。從愛因斯坦的狹義相對(duì)論開始，在人們的心中，時(shí)間、空間和運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理就發(fā)生了翻天覆地的變化。

狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論揭示了時(shí)間、空間和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)之間的內(nèi)在聯(lián)系——狹義相對(duì)論告訴了人們時(shí)間和空間與物質(zhì)的密切關(guān)系，廣義相對(duì)論又進(jìn)一步告訴了人們時(shí)間和空間的性質(zhì)與物質(zhì)本身的存在和分布的關(guān)系。

· 從狹義時(shí)空觀談起

我們從狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)說起——光速不變?cè)砗拖鄬?duì)性原理。

光速不變?cè)碇赋隽藷o論光的觀察者運(yùn)動(dòng)與否，真空中光的傳播速度都是一定的，即為光速；相對(duì)性原理則闡明了自然規(guī)律在所有慣性參考系中都是不變的。而如果想要使這兩種基本假設(shè)成立，我們就必須要摒棄掉經(jīng)典時(shí)空觀中的思想。

狹義相對(duì)論之所以為我們提供了一個(gè)嶄新的時(shí)空觀，它的新就一定體現(xiàn)在與經(jīng)典時(shí)空觀的不同上，即——

i. 同時(shí)性是相對(duì)的。這里就完全摒棄掉了經(jīng)典時(shí)空觀中的絕對(duì)性的同時(shí)關(guān)系，同時(shí)性是絕對(duì)的，它與時(shí)間和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。假若在一參考系中，兩件事是同時(shí)發(fā)生的，但對(duì)于相對(duì)于這一慣性系運(yùn)動(dòng)的其他任一慣性參考系來說，兩件事將不再是同時(shí)發(fā)生的了。

ii.時(shí)間與空間并不相互獨(dú)立，而是存在緊密聯(lián)系的。在狹義相對(duì)論理論中，時(shí)間和空間不再是各自獨(dú)立的，愛因斯坦否定了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，提出了相對(duì)時(shí)空觀，在這種時(shí)空觀中，時(shí)間和空間互相制約又緊密聯(lián)系，愛因斯坦把時(shí)間也加入到這種時(shí)空觀念中，形成了一個(gè)統(tǒng)一的物質(zhì)存在形式——四維時(shí)空，表明了時(shí)間與空間的緊密聯(lián)系。

iii.時(shí)空整體的絕對(duì)性與因果律。在經(jīng)典時(shí)空觀中，同時(shí)性是絕對(duì)的，所以事情的發(fā)展完全遵循著“過去—現(xiàn)在—未來”的主線。在狹義相對(duì)論中，事情之間可能存在著某種物理相互作用而發(fā)生聯(lián)系，也可能不存在物理相互作用。

引人兩事件的間隔的概念，設(shè)第一事件為空時(shí)原點(diǎn)（0，0，0，0），設(shè)第二事件的空時(shí)坐標(biāo)為（x，y，z，t），兩事件的間隔定義為s2=c2t2-x2-y2-z2 而兩事件的間隔可以取任何數(shù)值：

（1） 若兩事件可以用光波聯(lián)系時(shí)，有r=ct 即s2=0 ；

（2） 若兩事件可用低于光速的作用相聯(lián)系，有r

（3） 若兩事件的空間距離超過光波在時(shí)間t所能傳播的距離，有r>ct 因而s2<0 ；

由于從一個(gè)慣性系到另一個(gè)慣性系的變換中，間隔保持不變，因此上述三種間隔的劃分是絕對(duì)的，不因參考系變換而改變。

把三維空間與一維時(shí)間統(tǒng)一起來考慮，每一事件用這四維時(shí)空的一個(gè)點(diǎn)表示。為了能夠用直觀圖像表示，我們暫時(shí)限于考慮二維空間和一維時(shí)間（代表xy平面上的運(yùn)動(dòng)）。我們把二維空間（坐標(biāo)為x，y）與一維時(shí)間（取時(shí)軸坐標(biāo)為ct）一起構(gòu)成三維時(shí)空.事件用這三維時(shí)空的一個(gè)點(diǎn)P表示.P點(diǎn)在xy 面上的投影表示事件發(fā)生的地點(diǎn)，P點(diǎn)的垂直坐標(biāo)表示事件發(fā)生的時(shí)刻乘以c。對(duì)應(yīng)于上述三種情況，P點(diǎn)屬于三個(gè)不同區(qū)域：

（1） 若事件P與事件O的間隔s2=0 ，則因r=ct ，因而P點(diǎn)在一個(gè)以O(shè)為頂點(diǎn)的錐面上，這個(gè)錐面稱為光錐，凡在光錐上的點(diǎn)，都可以和O點(diǎn)用光波聯(lián)系。

（2）若事件P與事件O的間隔s2>0 ，則r

（3）若P 與O的間隔s2<0 ，則r>ct ，P點(diǎn)在光錐外。P點(diǎn)不可能與O點(diǎn)用光波或低于光道的作用相聯(lián)系。這類型的間隔稱為類空間隔。具有類空間隔的兩事件之間，不可能發(fā)生因果關(guān)系。

·廣義時(shí)空觀

在廣義時(shí)空觀中，愛因斯坦加入了引力元素，提出了物質(zhì)對(duì)于時(shí)空的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響，即時(shí)間、空間和物質(zhì)是存在相互作用的。在廣義相對(duì)性原理中，愛因斯坦達(dá)成了慣性系和非慣性系的統(tǒng)一，所有的參考系都是統(tǒng)一的，這意味著物理定律在不同的參考系中都可表示為相同的形式。

時(shí)空的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都取決于物質(zhì)的分布，物質(zhì)分布的越密，時(shí)空彎曲也就越厲害，空間、時(shí)間和物質(zhì)是相互作用的，四維空時(shí)同物質(zhì)是緊密聯(lián)系的。

綜上，我們發(fā)現(xiàn)，時(shí)空觀的不斷演化使得我們對(duì)時(shí)空的理解逐步變得深刻，愛因斯坦的時(shí)空觀為我們開辟了一個(gè)新的時(shí)空世界，但是絕對(duì)的真理是不存在的，而我們對(duì)于物理學(xué)的認(rèn)知處在不斷的變革當(dāng)中，這個(gè)時(shí)空觀也一定不是最終答案。

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