淺談時間與空間的關(guān)系

李可為

摘 要：時空觀可以說是人類認知物理世界的一塊基石，人們對于時間與空間的認知也在不斷的發(fā)生著變革。從經(jīng)典時空觀到相對論時空觀，人們對于時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和真相，但是我們對于整個物理世界的認知永遠不會止步。

關(guān)鍵詞：時間、空間、時空觀、經(jīng)典時空觀、相對論時空觀

引言：談到時間與空間，我們對這兩個概念一定不會陌生，從我們小時候所接受的時空觀——即時間就是均勻而獨立的變化的到我們長大后所接觸到的相對論的一種嶄新的時空觀，我們關(guān)于時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，但是就是對于這個物理學(xué)中最基本的問題，我們至今也沒有給出一個完全完美的解釋，那么我們的時空觀究竟經(jīng)歷了哪些變革呢？

一、從經(jīng)典時空觀說起

經(jīng)典時空觀以牛頓的時空觀為代表，牛頓認為，時間與任何外在事物都是無關(guān)的，時間是在均勻而獨立的變化，他所提出的就是一種絕對時間的觀念；同樣的，空間也是處于一個絕對空間的概念，其量度永遠是絕對的，且與外界事物無關(guān)。牛頓的這種絕對時間和絕對空間的概念，與他所建立的整個運動體系不無關(guān)系，經(jīng)典運動學(xué)定律正是存在于這種絕對時間和絕對空間的框架下的，牛頓運動定律在伽利略坐標變換下是協(xié)變的，其滿足經(jīng)典力學(xué)相對性原理，而絕對時間和絕對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)典的時空觀是滿足以下三點的：第一，同時性是絕對的。即對于一慣性參考系來說，如果兩個事情是同時發(fā)生的，那么對于其他慣性參考系來說，兩件事情也是同時發(fā)生的；第二，時間和空間是絕對的。時間是在獨立而均勻的變化，且其變化不受參考系選擇的影響，而空間的坐標變化也是絕對的，在任一慣性參考系下都是如此；第三：時間和空間各自獨立，互不相關(guān)。在經(jīng)典時空觀中，時間和空間具有絕對性，且時間和空間脫離物質(zhì)本身而存在，其存在與物質(zhì)本身是沒有關(guān)系的。

二、談相對論時空觀

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

狹義相對論和廣義相對論揭示了時間、空間和物質(zhì)運動之間的內(nèi)在聯(lián)系——狹義相對論告訴了人們時間和空間與物質(zhì)的密切關(guān)系，廣義相對論又進一步告訴了人們時間和空間的性質(zhì)與物質(zhì)本身的存在和分布的關(guān)系。

· 從狹義時空觀談起

我們從狹義相對論的兩個基本假設(shè)說起——光速不變原理和相對性原理。

光速不變原理指出了無論光的觀察者運動與否，真空中光的傳播速度都是一定的，即為光速；相對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)典時空觀中的思想。

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

i. 同時性是相對的。這里就完全摒棄掉了經(jīng)典時空觀中的絕對性的同時關(guān)系，同時性是絕對的，它與時間和物質(zhì)運動有關(guān)。假若在一參考系中，兩件事是同時發(fā)生的，但對于相對于這一慣性系運動的其他任一慣性參考系來說，兩件事將不再是同時發(fā)生的了。

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

iii.時空整體的絕對性與因果律。在經(jīng)典時空觀中，同時性是絕對的，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)第一事件為空時原點（0，0，0，0），設(shè)第二事件的空時坐標為（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，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間t所能傳播的距離，有r>ct 因而s2<0 ；

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

把三維空間與一維時間統(tǒng)一起來考慮，每一事件用這四維時空的一個點表示。為了能夠用直觀圖像表示，我們暫時限于考慮二維空間和一維時間（代表xy平面上的運動）。我們把二維空間（坐標為x，y）與一維時間（取時軸坐標為ct）一起構(gòu)成三維時空.事件用這三維時空的一個點P表示.P點在xy 面上的投影表示事件發(fā)生的地點，P點的垂直坐標表示事件發(fā)生的時刻乘以c。對應(yīng)于上述三種情況，P點屬于三個不同區(qū)域：

（1） 若事件P與事件O的間隔s2=0 ，則因r=ct ，因而P點在一個以O(shè)為頂點的錐面上，這個錐面稱為光錐，凡在光錐上的點，都可以和O點用光波聯(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點在光錐外。P點不可能與O點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。

·廣義時空觀

在廣義時空觀中，愛因斯坦加入了引力元素，提出了物質(zhì)對于時空的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響，即時間、空間和物質(zhì)是存在相互作用的。在廣義相對性原理中，愛因斯坦達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，時空彎曲也就越厲害，空間、時間和物質(zhì)是相互作用的，四維空時同物質(zhì)是緊密聯(lián)系的。

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

參考文獻：

[1]王玉峰，時間空間永無止境的探索[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報，2005年

[2]王瑞，對愛因斯坦相對論變革時空觀的思考[J].商業(yè)文化，2009年

[3]孫松濱，時空觀的演變[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報