物理学中时空观的演变.pdf

重庆师范学院李报 自然科学版 一九八七年第一期总第五期 地 物理学中时空观的演变 朱开勤 摘要本文以历史上几 位科学家 的典型时空观来表 明物理 学 中时空观的演变是物理学发 展 的重要标志 爱因斯坦创立的广义相对论 为辩证唯物主义的 时间空间是物质存在的形 式 的原理 提供了自然科学的证据 随着科学的不断发展 人们的时空概念还将不断的发 生演变 什么是时间 什么是空间 这个看来似乎简单而平常的问题 从古 到今都有许多哲学家 和科学家对它进行深入的研究 但要把这个间题回答得很清楚 即既有 客观事实为依据 又 有理性思维作指导 却义是一个十分复杂而艰深的课题 随着自然科学 的发展 特别是物理 学的发展 迫使人们对时间和空间的认识不断演变 正如列宁指出的 人类 的时空观是相 对 的 夕 但绝对真理是由这些相对的观念构成的 人类的时空观的可变性 也没有推翻 空 间和时间的客观实在性 人们依靠 自己的感官感知外部 一世界 获得对 客观世界的感性 知识 再经过概念 判断 和推理的逻辑思维过程 总结出客观事物运动 的规律 使认识从 感性 阶段上升 到理性阶段 人们对时间和空间的认识过程也是如此 一 古希腊人对 时间和空间的直觉 丈 们 的时空观 是建立在一定科学知识之上的 古人恨据感觉到的直观现象 认为 大地是 平坦 的 太阳从东边升起西边落下 人们日出而作 日入而息 到了古希腊时代 一些哲学 家对时空问题提 出了不 同的学说 如古希腊唯物主义哲学家卢克共修在他的著名诗篇 物性 论 中写道 整个 宇宙之外再没有别物存在 所以它没有什么外边 因此 它也没有终点 就是时间也还不是 白已独立存 在 从事物中产生 一种感觉 什么是许久以前发生 的 什么是现在存在着 付 么是将跟着来 应该承认 离开了事物的动静 人们 就不能感 觉到时 间本身 山于古希腊时代的科学研究还只限对 与生产和生活直接有关的天文学 数学 力 学等儿 个领域 还不懂得科学实验 更没有去进行实验操作 因此古人只能凭着 自然哲学的直觉把 自然界当作整体来进行考查 把自然现象的无限多样性 的统一看作不言而喻的 所以 古人的自然观带有朴索辩证法 的色采 凭着天才的抽象思维 依靠智慧 的力 量 认识 到了时 和空间的客观 性 并模糊的猜测到了时间 空 间的无 限性及时间 空间与事物的运动有关 正是这些朴索辩证 法 的思想带来了古代科学 技术的繁荣 亚里斯多德继欧多克索之后提 出了他的时空模型 他认为地球位于整个宇宙的中心 整 个宇宙由环绕地球的同心球壳组成 星球分别处在不 同的球壳上做最完美的园运动 亚里斯 多德把宇宙空间分为 月上 比月亮远 世界 月下 比月亮近 世界 物体在宇宙 中有各自的天然位置 这个天然位置具有关键作用 物体都力 图达到各自的天然位置 地 面 物体的天 然位置在地球 中心 因此他们都作落体运动 天上 的物体的天然位置在天球上 所以他们沿着天体作园运动 亚 里斯多德的时空模型 是人们对天体直观现象的总结 并 对天体现象的动因作了主观的猜测和论断 本质上是错误 的 但他把 上 和 下 这 两个 方 向相对化了 这是人类走向科学时空观的重要进步 二 牛顿的绝对时空观一一时间 空间 外界事物 三者互相独立 牛顿在总结前人成就的基础上 夕 建立 了经典力学的理论体系 对时空 空间 物质运动 提出了一整套看法 在牛顿看米 绝对 的 真正的和数学上的时间自身在流逝着 而且由 于其本性而均匀地与何何其它外界事物无关 的流逝着 绝对的空间 就其本性而言 是 与外界任 何事物无关而永远是相同和不动的 红 时间 空间 外界事物 三者是相互 独立 而是毫无关系的 空的廷伸和时间的流 逝都是绝对的 这就是牛顿的绝对时空观 经典力 学承认物体空间位置的相对性 已表现 在伽利略变换式中 一 岁 二 如 之 二 在这个变换式里 两个坐标系里 的时间的变化是完全相 同的 卉无改变 即把一只校 准好的钟 放在何何惯性坐标系里 就管其相对速度 的大小如何 它的时间差都是一样的 即在何何惯性参照系里钟是 司步 的 在这个变换式 里 空间是 不变 的 把一只 一尺 长的尺 放在何何惯性参照系里 不管其 相对运动速度大小如何 夕 其长度是固定不变 的 夕 即尺是 刚性 的 在空间这个 问题 一上 牛顿和莱 布尼兹展开过 争论 牛顿认 为 空间对物体是绝对消极 的 它不过是个容纳物体的无边无 际的容器 莱布尼兹认为 空间是物体相互关系的量度 后来相对论 的创立 证明莱布尼兹的看法是正确的 牛顿时空观 把时问和空间看成是脱离物质 夕 脱 离物质运功 的绝对不变的东酉 丧明科 学发展 的时代局 限性 但牛顿时空观 否定了亚里斯多德时空模型 中物体在空间位置的绝对意 义 打破了 月上 月下 的界限 在牛顿的力学方程 中相对于任 何空间的点来计算都是一 样的 牛顿时空观承认时间和空间是客观存在 从具体时空中抽出时空的概念来 这是人类 认识 时空的一次飞跃 对牛顿绝对时空观 的评价 只有根据物理学发展的历史背景 才能得 出公证的结论 随着科学实验的进步 十九世纪未期 出现了经典物理学无法解释的新的实验结果 著 名 的英国物理学家开尔文在年新年贺词中指出 在已经基本建成的科学大厦中 后 辈物理学家只要作一些零碎的修补工作就行了 接着他又说 但是 在物理学晴朗天 空的 远处 还有两朵小小的令人 不安的乌云 这两朵乌云 即是指热辐射实验 和迈克尔逊一莫 雷实 验 这两个实 验的结果 用 经典物理学理论无法得到令人满意的解释 这就暴露出 经典物理理论并非完美无缺 而是有它的局限性的 在旧理论与新的实验事实之间发生严重矛盾的时刻 有的物理学家陷入了迷茫之中 悲 观失望 不少物理学家采取修补旧理论去解释新实验的方法 夕 但均未获得满意的结果 迈克尔逊一莫雷实验的结果 发现光 的传播速度并不遵从旧的物理理论 罗伦兹为了研 究运动物体的电学以光学现象于年导出了一组直到现在仍以他的名字命名的罗伦兹变换 式 刀 训 一 君 参 二 才 口 训 一 刀 口 此变换式 即年爱因斯坦发表 的狭义相对论 的数学表达式 是相对 论运动学的核心 但 当时罗伦兹对于 了及变换式的物理意义并不 清清 他把 当 做 本地 时间 引入到物理学中 来 其原因就是罗伦兹不愿放弃绝对时间的概念 下面一段话是罗伦兹后来的回忆 因为必 需变换时间 所以我引入当地时间的概念 它在相互运动的不同坐标系中是不 同的 但是我从 未认为它与真实时间有任何联系 对我来说 真实时间仍由原来经典的绝对 时间概念表示 它不依赖于参考特殊的坐标系 在我看来 仅仅存在一种真正的 时间 由于罗伦兹受 了绝对时空观的限制未能进入相对论的大门 三 狭义相对论的时空观一一时空融合体 爱因斯坦分析研究了发生在不 同地点的两事件的同时性 不是像牛顿力学 中所假设的那 样具有绝对意义 对 同时性作了新的规定 这个新的规定成了狭义相对论的核心 爱因斯坦 克服了绝对时空的偏见 夕 根据两条基本假设 即相对性原理和光速不变原理 导出了罗伦兹 变换 即运动物体沿运动方向的长度要缩短 产 训 一 这个公式 的物理意义是什么呢它表明 静止观察者用尺来度量一切运动物体时 它们的长 度都会缩短 特别重要的是这个效应是相互的 当匀速 运动的观察者用尺来度量静止系统的 物体时 也会得到 同样的效应 它仅同相对 运动的速度关 运动的时钟要变慢 产 以侧 一 州 这个公表明 宇宙中的每一个点都有其自已的时间 这个时间的快慢取决于该点物体匀速 运动速度之大小 根据以上结论 我们研究空间某一点的线度和时间 就发现随着速度的增加 必然引起 线度的缩短 也必然导致时间的增长 所以狭义相对论证明了时间和空间 不是分别的存在 着 它们结合成为一个时空融合体 年 波兰数学家阂可夫斯基对狭义相对论的本质作 了简洁的说 明 时 间本身 空间本身都落得一个像影子般消失的下场 只留下时间与空间 的一个融合体作为独立不变的客观实在物 阂可夫斯基把三维的空间和一维的时 间联系起 来 结合成为一个四维时空 在这个四维时空中物体 的时空间隔 一 一卜 万 一 一一 对任何惯性系统都是 一个不变量 即四维时空 间隔 是 一个与参考系选择无关的不变量 它 的空间分量和时间分量 是变化 的 四维时空意味着时间和空间在物理学上起着相类似的作用 所以时 间间隔可以用 空间长度来量度 空间距离的缩短必然招致时间间隔的增长 夕 即通过后者的增大来弥补前者 的减小 这就是所谓时间和 空间的互补性 狭义相对论发表不久 普朗克在一次讲演中对它作了下述评价 取代所谓自由以太 的 是电磁能量 在其 中 一也象 有重 量的原子一样独立地传播 的绝对虚空 我认为不给予绝对空间 以某些物理 属性仅仅是顺乎情理结的果 新的时间概念 就其勇气而言超过了思辩 自 然科学领域里和哲学认识论 里迄今为止所做的一切 同它相比 非欧几何只不过是儿童的玩 具而已 其实 同暂时还仅仅对于纯碎数学具有重大意义的非欧几何相反 相对性原理完全 有权 自认为有实在的物理意义 就 它在物理学世界观领域里所引起的 变 革的广度和深度而 言 也许只有引入哥白尼世界体系才可以同 它相比 从普朗克的讲演可以看出当时的科学 家们对非欧儿何在深奥的物理学中的巨大意义是认识不足的 四 广义相对论的时空观一一时间 空间是物质存在的形式 爱 因斯坦对他自已建立的狭义相对论并不满意 因为他注意到了狭义相对论的两个重要 局 限性 其一 对于 马赫的间题 为什么惯性系在物理上比其它坐标都特殊 这是怎么回 事 这个理论 同样做不 出回答 其二 爱因斯坦在年已经 认识到 在头义相对论 的框架里 是不可能有令人满意的引力理论的 这是推动爱因斯坦去继续寻求更普遍 的物理理论的思想动力 即要把物理方程推 到任何考照系中均具有不变的形式 这就回到 了爱因斯坦千五六岁时就曾思考过的间题 在引力场中一切物体加速度都相等 这是什么原 因这就成了一个揭开引力之谜 的问题 这个问题不能包括在狭义相对论之中 从何着手解 决引力题呢爱因斯坦曾这样写道 一 在引力场中一切物体都具有同一加速度 这条 定律也可以表述为惯性质量和引力质量相 等的定律 它当时就该我认识到它的全部重要性 我为它的存在感到极为惊奇 并猜想其 中必定有一把可以更加深入 的了解惯性和引 力的 钥 匙 爱 因斯坦决心从惯性质量与引力 质量相等这 一实验事实出发去寻找新的引力理论 爱因斯坦把狭义相对性原理作了推广 迄今为止 我们只把相对性原理 即认为自然 规律 同参考系的状态 无关这一假设应用于 非加速参照系 是否可以设想 相对性运动原理对 于相互作加速运动的参照系也仍然成立 厂 年爱因斯坦根据一切物体在 引力场叮邵 被同样的加速这币羊 一个事实 一汀次 提出了等 效原理的假设 即 引力场参考系的相应的加速度在物理上完 全等价 二爱因斯坦提 出这两条原理之后 等了七八年才把引力场方程建成 这是为什么呢这 主要涉及爱因斯坦 本人时空观的转变过程 爱因斯坦在创立广义相对论 的进程里遇到的最大困难 一 时空 柔性 度规概念 的建立 在狭义相对论 里 在同一参考系中要测量时间与长度 仍保持 着统一 的标准 即具有 刚 性 的尺和 同步 的钟 即 刚性 时空度规 量度长度和时 间 是 用坐标差来 表示 的 这是以欧氏几何为基础的物理学 的砖统观念 广义相对性原理及等效原理 引入后 把罗伦兹变换 尸二 沪 其中久 为常数 推广为非线性变换 朴 为 满足 一定条件 的何意函数 在这种情况下 夕 坐标微分 尹 本 身不 等于 空间的长度或时间的间隔 即坐标差没有直接量度的物理意义 这是个什么观念呢爱 因斯坦在这里大大的困惑了 爱因斯坦对以上困难作了如下的说明 其主要原因在于 要使人们从坐标必须具有直 接度规意义这 一观念中解放出来 可不是那么容易 接受了等效原理所要隶的非线 性变换 对于坐标的简单的物理解释不可避免是致命的 一那就是说 不能再要求坐标差 应 当表示那些用理想标尺或理想时钟所测得的直接量度结果 夕 我被这一点知识大大地困惑住 了 他在苏黎士以及布拉格大学讲授理论物理学的时候不断思考这个 问题 为了解开以上的困惑 爱因斯坦重新研究了阂可夫斯甚的四维时空的数学表达式 在平直四维时空里长度不变量 护 勺 十 扩 一 叮 洲 了奋奋 砚 度规 度规街 叫平直度规 即刚性度规 反映了四维空间的平直性 在疾义相对论里 是 不依 赖坐标的常数 允许用 刚性 的尺和 同步 的钟 时空不变量与坐标差相联系 在非线性变换里 四维时空不变量 扩 万 度规 是坐 标的函数 当它与坐标微分 二 改 联系起来考虑 就具有可量度 的物理意义 由此可见对非线性变换来说 是坐标的函数 不同的时空点即坐标点 尺与钟的标准都不同 坐标的微分只有与度规 联系 起来 考 虑才具有量度 的意义 在这 里 不 同于 后者是一种刚性时空度规 适用于惯性系 前者是一种 柔 性 时空度规 适用于加速参考系 因此 研究 的物理意义和数学性质就成了研究解 决 引 力问题的关 键 爱因斯坦的思想从 刚性 度规概念转变到 柔性 度规概念 从此爱因斯坦的时空观 念就 由狭义相对论的时演空观演变到了广义相对论的时空观 为广大相对论的建立奠定了认 识的论基础 爱 因斯坦的引力方程 一一己邓订七 一 一 丈 一 几 乙 时空几何量 物理量 时空几何量 口口口臼 从引力场方程可以看出时空几何量是随物理量即物质运动状态改变的 爱 因斯坦 曾说 空间 时间未必能被看着是一种可以离开物理实在 的实际客体而独立存在的东西 物理 客体不是在空间之中 而是这些客体本身有着空间的广延 因此 一 空虚空间 这概念 就 失去了它的意义 时间 空间是物质的存在形式 这 一辩证唯物主义原理由于广义相对论的创立而得到 了自然科学的证 明 爱因斯坦的空间