空间、时间是什么

1、 空间、时间是什么？别人在很小空间、时间是什么？别人在很小的时候就已经搞清楚了，而我的智力的时候就已经搞清楚了，而我的智力发育迟，长大了也未搞清楚，于是，发育迟，长大了也未搞清楚，于是，我一直揣摩这个问题。结果就比别人我一直揣摩这个问题。结果就比别人钻得深一些。钻得深一些。 爱因斯坦爱因斯坦第二章第二节时空观MAKESIZHUYIZHEXUEYUANLIDIERZHANGDIERJIESHIKONGGUAN 1 时间和空间是物质的存在形式。 时间是其持续性、前后相继的顺序性；空间是其广延性、伸张性和与它事物的距离等。（一）（一） 时间、空间概念时间、空间概念 二二 时空观及其革命时空观及其革命

2、时空概念时空概念（二章二节） 2 空间的特点是它的三维性空间的特点是它的三维性 指的是任何现实的存在都只能在三个方向指的是任何现实的存在都只能在三个方向上体现自己的广延、伸张和与它事物的距离。上体现自己的广延、伸张和与它事物的距离。 3 时间的唯一特性是它的一维性时间的唯一特性是它的一维性 时间只有一个方向。这是由于时间只有一个方向。这是由于物质运动不可能完全等同地重复。因而又称“不可逆性不可逆性”或“一去不复返性一去不复返性”。时空概念时空概念 4 时间空间与物质运动不可分割时间空间与物质运动不可分割 面对一个小孩子，你能把他的年龄、形体从他身上“剥离”下来吗？ 要理解一个具体事物有自己的时

3、空性质并不难。困难在于理解没有绝对独立的时、空。即没有什么事情发生而“白白流逝”的时间和没有事物的“空框子”。这方面的论证我们放在稍后再讨论。时空概念时空概念5 客观性客观性 对时、空的客观性的理解和对运动客观性的理解一样即：时间、空间并非“独立实在”的客体，它它们的客观性是作为物质的存在形式们的客观性是作为物质的存在形式而被物质所赋予的。而被物质所赋予的。时空概念时空概念 6 6 有限性与无限性有限性与无限性 可表述为：具体事物、现象有具体事物、现象有开端和结束、有形状和边沿，因而开端和结束、有形状和边沿，因而是有限的。而作为物质存在形式的是有限的。而作为物质存在形式的时间和空间是无限的，无

4、始无终，时间和空间是无限的，无始无终，无边无际。无边无际。时空概念时空概念 如果时间有开端和结束，那么，开端以前是什么？结束以后是什么？如果空间有边际，那么。边际之外是什么？ 时空概念时空概念因此，现实的时间和空间，只能因此，现实的时间和空间，只能 是无限的。是无限的。只能是：彼岸世界、上帝。可用反证法来证明：（二）时空观的历史发展（二）时空观的历史发展 时空观时空观是人们对于时间、空间的看是人们对于时间、空间的看法或观点的总称。包括：对法或观点的总称。包括：对时空的认识（科学的或经验时空的认识（科学的或经验的）、理解（理智的或直观的）、理解（理智的或直观的）和期望。的）和期望。1 1 时空观

5、时空观时空观时空观 时空观是最通时空观是最通俗、最经常的日常俗、最经常的日常观念之一。观念之一。 时空观时空观在日常生活中，人们的这种观念已表现为各种稀松平常的“生活习惯”。1 1 当我们说：“这个鸡蛋真大”、“这个西瓜太小”时，决不会真的以为鸡蛋会比西瓜大。 早晨，特别是严寒冬天，起床号吹响：“今夜怎么这么短，我才刚刚睡下”。时空观时空观 第四节课，肚子饿了：“这节课怎么这么长” 。 一位60岁的老人感叹道：“三十八年过去，弹指一挥间”；而如果对一位八岁的孩子说：“你都这么大了，只差十几年就要结婚了。”他能理解吗？时空观时空观 都知道刷一次牙可能要用几分钟而决不会一上午，吃一顿饭可能吃几小时

6、决不会一个礼拜； 电影、电视中的“好人”被押上刑场，刽子手已举起屠刀即将砍下的一刹那，一定会有一个暗器正好打在举起屠刀的那只手上；日本鬼子对群众架起机枪，就要扣动扳机的一瞬间： 一定要有一个声音响起：“住手，我就是你们要找的八路军”。时空观时空观 一定的时空观是人们理解世一定的时空观是人们理解世界的界的“框架框架”，体现了他的胸襟和，体现了他的胸襟和眼界。眼界。 都知道：“站得高才能看得远”，生活的狭窄造成胸襟的狭隘。“井底之蛙”这口井便是它的全部世界。 春生夏死的蝉不明白冬天，朝生暮死的蜉蝣不理解黑夜。古人说：“曾经沧海难为水”。时空观时空观2 2 相传有一个人跟邻居争执一尺房基地，老母亲写

7、一封信给城里当宰相的儿子，希望他来“压”一下邻居。时空观时空观儿子回信却说：“让他三尺又何妨？” 一定的时空观是人们暴露和表达自一定的时空观是人们暴露和表达自己心灵的己心灵的“窗口窗口”。 有的人，生活在理想的未来，现实总使他牢骚满腹。 有的人，向后看，生活在旧日的辉煌和陈芝麻烂谷子的恩怨之中； 有的人，只生活在脚下一滩烂泥之中。时空观时空观3 3 时空观时空观 在我们的先祖那里，时、空与实际事物紧密联系。例如： “二指宽”、“五十步”、“头发丝那么细”、 “一顿饭功夫”、“一眨眼间”、“下次月园”、“树叶又黄了三次”、“燕子飞来”。 鲁迅先生写小说采薇时，用：“大约烙几张饼的功夫” 来描述时

8、间。时空观时空观 / 古代古代2 古代朴素的时空观古代朴素的时空观 我国先哲，猜测到了时空的无限。 “天地四方为宇，古往今来为宙”。 “一尺之锤，日取其半，乃世不竭。” “有始也者，有未始有始也者，有未始有夫未始也者，有有也者，有无也者，有未始有无也者，有未始有夫未始有无也者-”（庄子 齐物论）时空观时空观 / 古代古代 随着人们相互交往的经常和扩展，需要一些共同的“标准”，于是，人们约定了一些测度时间和空间的“尺度”和“标准”，如： 两手伸开一码， 两手对起来一呎 “一箭之地”，“一炷香功夫”，太阳当顶是“午时”，昼夜相交之中是“子时”，一个月按月亮的盈亏分为“晦”、“望”若干日等等。时空观

9、时空观 / 古代古代 以后，标准日愈完善和准确，渐渐取代了事物本身的地位，就好像一个人的影子取代了主人的地位，人倒成了影子的附属一样。时空观时空观 / 历史历史 我们现在生活在一个高度标准化的时代，标准化已成为我们生活中的习惯，熟悉到忘记的程度。 全球分为24个时区，人们在可以用相互简单换算的“东京”、“格林威治” 、“纽约”、“北京”时间来旅行、通讯、生产、作息-时空观时空观 / 近代近代 中国生产的车箱，日本生产的铁轨，欧洲生产的车头，由美国人在非洲组装，火车就能飞驶。 买来遥远美洲生产的电器，不用耽心插不上家里的插座。 市场上到处充斥着“进口零件，国内组装”的产品。 如果有朋友自洛杉矶飞

10、来，查询班机时刻表，就能准时去机场接机。时空观时空观 / 近代近代 时间象一个均匀流逝的“带子”，与事件过程本身性质无关，各种事物和过程，只不过在这“带子”上打下“印记”而已。空间好比一个“箱子”。放进东西或取走东西，箱子依然存在。先祖们的朴素时空观完全被抛弃了，时间、空间时间、空间与事物及过程完全割裂与事物及过程完全割裂。这就是“绝对时空观绝对时空观”，又称又称“牛顿时空观牛顿时空观”。 这样，人们逐渐形成了这样的时空观：时空观时空观 / 近代近代 牛顿时空观在理解和处理日常生活是没有疑义的。在解决地地球上我们通常认为的“科学”的和“技术”的问题时，有广泛的普适性，而且已经很精确。但是，用来

11、说明整个世界的根本问题却行不通。就如高速飞行的飞机里，机舱壁上围着一块污迹爬行的苍蝇用它的经验来解释飞机的运动一样。时空观时空观 / 近代近代 要解除绝对时空观的思想禁锢需要科学材料。在马克思的时代，虽然提出了辩证时空观的原理，但尚找不到科学依据，因为那时候科学的眼界还停留在地球上寻常事物中。哲学作好准备，耐心地等待着科学的发展。时空观时空观 / 近代近代 （三）（三） 爱因斯坦相对论和爱因斯坦相对论和 时空观念革命时空观念革命 【1】 狭义相对论狭义相对论（1905年） 1905年6月发表在德国物理学杂志上的一篇论文论动体的电动力学论动体的电动力学。文章只有几页，既没有文献引证，又没有权威著

12、作的援引，一开始便单刀直入地提出绝对静止是不可能成立的。接着，提出光速不变公设，论证“同时性”没有意义，和他著名的变换方程。这就是后人所称“狭义相对论”。同年9月，发表物体惯性同它所含的物体惯性同它所含的能量有关吗能量有关吗一文。只有三页，文中推导出著名的质能相关式E=mc2.。物体的质量是能量的量度，轻而易举地开辟了新的能源原子能。当年爱因斯坦26岁。是瑞士小城伯尔尼专利局的一个小职员。狭义相对论狭义相对论 据说，爱因斯坦还是一个十四 岁的中学生时，一次突然想象，如果自己乘坐一列火车追着一束光前进，会看到什么？ 答案是：会看到光不再是一束“光线”，而是原地振动的点。这就是著名的“追光详谬追光

13、详谬”。狭义相对论狭义相对论 “追光详谬追光详谬”其实是一种其实是一种参照系的参照系的 变换。静止参照系变为运动参照系，变换。静止参照系变为运动参照系，观测者观测者“参与参与” ” 运动之中。运动之中。 可以拿生活中常见的事打比方。如果我们站在铁轨旁，看到火车有如一条线从眼前开过。而如果我们坐在火车里，就只感到颠簸和摇晃。我们生活在地球上，不感到它在运动，而如果在月球上看，会看到地球在飞快旋转（1100m/秒）。如果站在太阳上看，会看到地球在飞快地奔驰（3000m/秒）。狭义相对论狭义相对论 我们过去熟知的非常权威的测量标 准和方法，实际上只适用于地球上大物体的低速运动。但我们却以为这就是一切

14、运动的规则。 狭义相对论狭义相对论 t(tv/c2 x), (xvt)x, y y, zz.（缩小因子）1/1- (v/c)2 下面，我们将爱因斯坦的计算公式简化，简单计算一下：而当v相当大，大到接近于光速c时： 这就是“尺缩效应尺缩效应”和“钟慢效应钟慢效应”。当然，这种效应仅相对静止参照系而言，在运动中，时间和空间的感觉依然如常。狭义相对论狭义相对论 这种效应当然引起了人们的无穷 想象：如果有一对双胞胎兄弟，在他们20岁那年，其中一个兄弟乘坐速度为 0.99c的火箭遨游太空，而另一位兄弟留在地球上，一年以后，那位21岁的太空游子返回地球，会发现自己的同龄兄弟已是74岁的老翁了。这就是人称“

15、双胞胎详谬”的想象。狭义相对论狭义相对论 狭义相对论的狭义相对论的观念革命意义在于观念革命意义在于： 将时、空的测量标准和方式将时、空的测量标准和方式与实际事物的时、空性质区分开来。与实际事物的时、空性质区分开来。 打破了过去以为测量就是时空本身打破了过去以为测量就是时空本身的误解，的误解，“影子就是影子影子就是影子”，“地图绝不地图绝不是领土是领土”。狭义相对论狭义相对论 打破了绝对时空观对人们长达数百打破了绝对时空观对人们长达数百年的统治，年的统治，为辩证时空观提供了科为辩证时空观提供了科学依据。学依据。 使牛顿的理论成为非常有限范围内使牛顿的理论成为非常有限范围内的特殊理论，的特殊理论，

16、打破了长期以来对人打破了长期以来对人们思想的禁锢。们思想的禁锢。狭义相对论狭义相对论 【2】广义相对论】广义相对论（1915） 广义相对论广义相对论从此图开始以下三张背景为现代数学“混沌学”的计算机绘制图形 广义相对论广义相对论 广义相对论因很快得到科学的证实广义相对论因很快得到科学的证实而引起轰动，爱因斯坦提出的若干假说而引起轰动，爱因斯坦提出的若干假说令人瞠目结舌。数十年来，它们一一被令人瞠目结舌。数十年来，它们一一被科学观测所证实。至今天，还未发现一科学观测所证实。至今天，还未发现一例与之不相符的观测。现列如下：例与之不相符的观测。现列如下：广义相对论广义相对论1 1）红移现象假说）红移

17、现象假说 爱因斯坦预言：由于引力场的作用，大质由于引力场的作用，大质量星球的光谱线会移向光谱红端，即光的引量星球的光谱线会移向光谱红端，即光的引力频移。力频移。 1924年，亚当斯（WAdams）对天狼星伴星的观察，1923年1928年五年中持续不断地对太阳表面Fe 、Ti、 Cu光谱观测，与预言相符。1958年穆斯保尔（R L Moss Bauer）效应发现后，实验室中利用射线实验也与预言相符。广义相对论广义相对论2 2）恒星位置假说）恒星位置假说 爱因斯坦预言，由于引力作用，光线实际，由于引力作用，光线实际上是弯曲的，因此，我们平时观测到的恒星上是弯曲的，因此，我们平时观测到的恒星位置是有

18、误差的。大约在位置是有误差的。大约在1.74 。 为了证实这一预言，德国曾在1914年组织考察队前往俄国克里木半岛，准备在全日食情况下进行观测。恰逢第一次世界大战爆发，考察队人员全部被俄国作为战俘扣留，至使这次观测未能进行。广义相对论广义相对论 1919年，英国皇家学会组织了两支科学考察队，一支前往西非北部的索布拉尔，一支前往西非几内亚湾的普林西比岛后一支考察队由著名天文学家爱丁顿（Arthur Stanley Eddington1882-1944）率领。普林西比的结果是1.610.30，索布拉尔的结果是1.980.12, 在误差允许范围内与预言1.74 相符合。以后，在1954、1957年的

19、考察与预言完全符合。广义相对论广义相对论3 3）地球引力场强度假说）地球引力场强度假说 根据广义相对论计算，地球的引力场强地球的引力场强度是不均匀的，近中心者强度大，随距离度是不均匀的，近中心者强度大，随距离拉开逐渐减弱，这种强度差异，会使得时拉开逐渐减弱，这种强度差异，会使得时钟快慢发生差异。钟快慢发生差异。 依据这个计算，1960年，庞德和雷布卡作了一个实验，在距海平面22.6m的塔顶和塔底各置一钠钟，测出其快慢差为2.510-15秒，与预言完全符合。广义相对论广义相对论4）引力波假说）引力波假说 1974-1978五年间对PSR1913+16双星观测，该双星质量大，体积小，密度极大，轨道

20、周期仅8小时。其中之一为脉冲星，脉冲星周期59毫秒，每周期减少万亿分之三（310-13），近五年上亿次观测记载，参数精度达百亿分之一（10-11）观测结果与预言完全相符。广义相对论广义相对论5 5）黑洞假说）黑洞假说 广义相对论广义相对论 广义相对论开始并不为大多数人所理解。 相传一次皇家学会的聚会上，人们都说，世界上只有三个人懂广义相对论。除了爱因斯坦，他的老师闵可夫斯基，人们认为第三个人当然是爱丁顿了。可是，爱丁顿却说：“我也在想，这第三个人是谁？”广义相对论广义相对论 学者们大多不懂广义相对论，主要原 因是爱因斯坦使用了当时鲜为人知的黎曼几何，张量计算，绝对微分黎曼几何，张量计算，绝对微

21、分等数学方法，使 用 克 里 斯 多 夫 符 号 ， 闵 可 夫 斯 基使 用 克 里 斯 多 夫 符 号 ， 闵 可 夫 斯 基（Hermamm Minkowski 1864-1909）四维）四维时空统。时空统。从而，爱因斯坦促进了一门新的学科非欧几何学非欧几何学的发展。非欧几何非欧几何 现在，人们都知道非欧几何与爱因斯坦的关系。其实，在爱因斯坦以前，非欧几何就悄悄地产生了，只是由于派不上什么用场，一直停留在“纯数学”领域而鲜为人知。似乎数学家们默默地为在为广义相对论准备数学工具。非欧几何非欧几何 广义相对论发表后，爱因斯坦又在非欧几何学方面做出了杰出的贡献，作为非欧几何创始人之一被载入史册

22、。非欧几何非欧几何【3 3】非欧几何简介】非欧几何简介 非欧几何最开始是几位数学家分别独自研究的几种几何学，他们是： 高斯（1778-1855）， N T 洛巴切夫斯基（1793-1856）， 黎曼（1828-1866）等。 最早以完整形式发表在1833年。（高斯） 非欧几何非欧几何 非欧几何实际应称为“微分几何”或“非正则几何”。因为其与传统的欧几里德几何学不同而被俗称为“非欧几何”。在我们熟知的欧氏几何中的基本概念如：点、线、面，在非欧几何中没有这种概念，相当于这些概念的是“未下定义的物质形体”。如黎曼几何中的“流形”。其中，既有物质的广延，又包含时间。非欧几何非欧几何黎曼流形 欧氏几何中

23、极重要的“对称性”、“全等性”、“不变的角”非欧几何中没有这样的概念，相当的是“局部曲率”性质，即“非正则”性质。非欧几何非欧几何 在计算上，主要是微分、拓朴，甚至“绝对微分法”即没有固定坐标的微分系统。非欧几何门类很多，这里简单介绍两种，即洛巴切夫斯基几何和黎曼几何。 非欧几何非欧几何 洛氏几何又被称为“宇宙几何”。因为它描述的是大尺度空间，又称为“内蕴几何”。其最大特点是“保形性”。非欧几何非欧几何t非欧几何非欧几何 L L2 2 洛氏平面示意图洛氏平面示意图 在黎曼几何中，任何一在黎曼几何中，任何一个个“黎曼流形黎曼流形”都是一个都是一个“张量场张量场”，其中任何一点，其中任何一点都具有

24、四个方向上的性质，都具有四个方向上的性质，这是一种这是一种“局部坐标局部坐标”性质性质的几何，只能用无统一坐标的几何，只能用无统一坐标的的“绝对微分法绝对微分法”计算，因计算，因这一性质，又被称为这一性质，又被称为“无坐无坐标几何标几何”或或“无定则几何无定则几何”。非欧几何非欧几何 自爱因斯坦后，这些数学形式已有了广泛运用，例如我们现在说的什么“宇宙爆 炸 ” 、 “ 宇 宙 收缩 ” 、 “ 黑 洞 ” 、“脉冲星”、“白矮星”等，都是使用这两种数学方法和爱因斯坦公式计算的结果。非欧几何非欧几何非欧几何非欧几何 非欧几何学把形而上学时空观打得落花流水，闵可夫斯基1907年在哥根延数学学会上

25、的报告说：“从现在起，孤立的空间和孤立的时间注定要消失为影子，只有两者的统一才能保持独立存在。”时间、空间只能是物质的性质和形式，离开是什么物质和物质的实际状况，时间、空间没有意义。 在非欧几何里，时空不可分割。时空与物质不可分割是基本的原则。非欧几何非欧几何 爱因斯坦相对论发表后，特别是二十世纪六十年代以来，不仅实验验证如雨后春笋，而且，也成为相对论天体物理学、高能天体物理学和宇宙学的理论基础。类星体、脉冲星、致密x射线源、3K宇宙、微波背景辐射、黑洞、引力波等等的发现和探测，宇宙大爆炸理论和各种宇宙模型纷纷出现。而且，现在仍在发展。相对论相对论【4 4】相对性】相对性 一种现代观念一种现代观念 爱因斯坦的相对论出现后，影响远远超出了物理学的范畴，引起了一场深刻的观念革命，这就是相对性观念。相对性相对性 关于相对性，爱因斯坦曾幽默的比方：当你坐在一个可爱的女孩子身边时，一小时像一分钟那么短；而当你坐在火炉上时，一分钟就像一小时那么长。相对性相对性 世界本身是丰富的、复杂的，我们怎能将它套在简单的、僵死的“模式”之中？相对性相对性 直线的、平面的、均匀的