物理学中的时空观研究

1、1物理学的古典时空观12物理学的经典时空观22. 1哥白尼的主要贡献22. 2伽利略的主耍贡献32. 3牛顿的主要贡献32. 3. 1惯性参考系42. 3. 2伽利略变换53狭义相对论的时空观63.1牛顿力学的局限性63. 2洛伦兹变换73. 3爱因斯坦狭义相对论83. 4狭义相对论的吋空观84广义相对论时空观104.1狭义相对论的局限性104. 3广义相对论的基木原理114. 4广义相对论时空观的内容125量子理论的时空观14引言：时空观对物理学研究的重要意义甚至可以这样说：时空观的变革才是科 学理论重大变革的基本标志。物理学研究的发展表明，科学理论的重大变革往往 以时空观为突破i，并伴随新

2、时空观的产生。本文首先简述了远占时期的平直的 时空观，接着描述亚士时空观，亚士时空观认为地球是宇宙的中心，空间点貝有 相对性。接着牛顿继承了哥口尼伽利略的学说，提出时空的相对性即各空间点是 等权的，时间是可以向前后延展的，但它的时间和物质都是脱离空间而绝对存在 的。到了爱因斯坦时期才提出了相对的时空观，认为时间和物质空间是相互联系 的，时间在时间维上的速度可快可慢，这要看它的空间速度，空间速度越大时间 流动就越慢。1物理学的古典时空观创立物理学古典时空观的主要代表人物是古希腊的哲学家亚里士多德和古 希腊天文学家、地理学家托勒密。这一时空观在历史上从公元前三世纪至公元 14世纪，延续了一t五百多

3、年，直到欧洲文艺复兴时期以前。古典时空观以前的古代时空观是“天圆地方”的“盖天说”一种宇宙有 限论。但没有摆脱神学的影响，认为宇宙之外是上帝的栖身之地，宇宙是由上帝 创造的。古典时空观的主要观点反映在“地球是宇宙中心”的“地心说”屮，到托勒 密时期，它已形成了较完整的宇宙结构学说。虽然，“地心说”认为物体的运动为神力所驱使，但对物质运动的具体解释, 却力图从物质本身去寻找原因。这是具有朴素的唯物主义思想的，从而它有一定 的科学价值和实用价值。例如，它认为物体具有寻找口然归宿的普遍特性。物体 运动的原因是“它们还没有达到各自的天然位置”。以川球为界，宇宙分为两部 分：“刀上”的物体其天然位置在天

4、球上，因而它们均随天球作圆运动；“月下” 的物体天然位置在地球中心，因此它们都作落体运动，物体愈重，下落愈快。物 质屮较密集的部分尽可能地接近宇宙屮心，所以造成了球形的地球。从而也使古 代时空观中的“上”“下”绝对观念失去了意义。这是造成宇宙中物质分布不均 匀，形成中心对称宇宙的原因。尽管这种解释今日看来并非正确，但却是历史上 第一次从物质本身去寻找物质运动原因的尝试。它能够在当时解释地球附近物体 的落体运动。尤其对行星运动作了许多精确的说明。如很好地预测行星方位等等。 在航海、天文、历法及生产实践屮起了很重要的作用。其成果被沿用一千多年。 “地心说”在实践中的应用，说明这一理论本身基木上是唯

5、物的，是在一定程度 上反映了客观实际，是人类认识史上的一大飞跃，是物理时空观的重大发展。但是，应该明确指岀，“地心说”被宗教神学利用，那是托勒密死后一千多 年时的事。因此不能否定“地心说”原有的朴素的唯物主义的内容。笼统地将“地 心说”木身说成是唯心主义的，是不符合客观实际的。以“地心说”为代表的古典时空观的主要观点是：1. 承认时间、空间是客观存在的。“地心说”虽承认“神灵”的存在，但 并没有说神灵在支配时空，而是力图从物质木身去寻求运动的原因，没有让时空 观念带上唯心主义的色彩。2. 在空间概念中，止确的认识到“上” “下”观念是相对的。但是，它的 宇宙空间却是有限的，是有屮心的。3. 承

6、认时间的无限性。因为它至少承认了天体圜运动的永恒性。但没有说 明宇宙有无起源，即吋间有无起点的问题。（被宗教神学利用后，强加于“地心 说”的时间起点是神创宇宙之时。这并非“地心说”原来的观点。）“地心说”屮没有明确说明时间、空间二者的关系，以及吋空与物质的关系; 更没有说明时空与物质运动的关系。2物理学的经典时空观创立物理学经典时空观的主要代表人物是波兰天文学家哥口尼、意大利数学 家和力学家伽利略以及英国物理学家、数学家和天文学家牛顿。而牛顿的绝对时 空观是经典时空观的集中反映。2. 1哥白尼的主要贡献是将对宇宙的认识由“太阳中心说”代替了“地球中心说”。理论上的这一 变更，从物理学屮运动学的

7、角度说，不过是对太阳系内行星运动描写时，参照系 的一个变更（将参照系由地球移向了太阳），从而对太阳系内行星运动的描写极 为简单。按哥白尼的描述，各行星均绕太阳沿不同的圆形轨道运动。摆脱了“地 心说”屮“均轮”、“本轮”那一套复杂的描述。所以只从运动学角度，述看不 出“日心说”比“地心说”本质上的优越性。“日心说”显示了以太阳为惯性系描述太阳系内行星运动的优越性，从而展 现了宇宙的这一层次太阳系结构的本来而目，也为牛顿在动力学方而的研究 （万有引力定律及牛顿定律的发现）铺平了道路。所以，从物理学的动力学角度 说，“日心说”比“地心说”冇本质上的区别。“日心说”的缺点是：仍然是宇宙小心论。并承认太

8、阳的绝对静止；行星运 动仍沿用了圆形轨道的说法；限于当时的观测及认识，认为恒星不动。2. 2伽利略的主要贡献（1）通过望远镜的观察，看到太阳系内结构的一些细节。进一步说明了太阳 系内部结构的统一性。但仍未摆脱行星圆形轨道的传统观念。（2）利用笛卡儿坐标系这一数学工具，给出了关于距离（与空间概念有关） 和吋间概念的确切的数学形式。明确说明真实空间的三维性和吋间的一维性。与 太阳中心相连结的坐标系被公认称为伽利略坐标系。（3）提出了伽利略相对性原理：“力学定律在所有惯性系屮都相同以及 对这一原理的数学补充伽利略变换，即两个惯性系间时间和空间坐标的变换 式。这里，集中体现了经典物理学的时空观。牛顿继

9、承了这一观点，并给出完整 的表述。（4）提出了惯性定律。为牛顿创立力学的动力学理论打下了基础。他指出了 亚里士多德的错误，力并非是物体运动（速度）的原因。而是物体运动变化（加 速度）的原因。从而也科学地解释了 “日心说”中行星的运动和地球表面上物体 的落体运动。爱因斯坦对伽利略的工作给予了极高的评价：“伽利略的发现以及 他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学 的真正开端。”2. 3牛顿的主要贡献牛顿在前人大量工作的基础上，以其缜密的理论思维和深厚的数学功底，定 量地、完整地建立了经典力学的理论体系，为整个经典物理学打下了坚实的基础。牛顿继承了伽利略相对性原理及伽

10、利略变换的思想，并完整地叙述了绝对吋 空观。在开普勒行星运动三定律的基础上（已正确地观察到行星运动的椭圆轨 道），发现了万有引力定律。在伽利略惯性定律的基础上，乂建立了动力学的牛 顿三定律。2. 3. 1惯性参考系对一切运动的描述，都是相对于某个参考系的。参考系选取的不同，对运动 的描述，或者说运动方程的形式，也随z不同。人类从经验中发现，总可以找到 这样的参考系：其吋间是均匀流逝的，空间是均匀和各向同性的；在这样的参考 系内，描述运动的方程有着最简单的形式。这样的参考系就是惯性参照系，也称 为惯性参考系或惯性系。朗道场论（主要是相对论电动力学）给出的定义:牛顿第一定律成立的 参照系叫做惯性系

11、。（原文没有用牛顿第一定律的字眼，而是直接说在这样的参 照系中，一个不受相互作用的粒子将保持静i上或匀速直线运动）。这个定义在牛 顿力学和狭义相对论小均适用。这样，我们可知： 牛顿第一定律定义了惯性系。 牛顿力学在惯性系中成立。（在相对论中，第二条只要修正为麦克斯韦方 程组和相对论力学在其屮成立即可）这样就不存在逻辑循环的问题，同时也可以说明，牛顿第一定律不是牛顿第 二定律在f二0时的特殊情况。在空间内，相对于任何参考点（静止中或移动中），一个运动中的粒子的位 移、速度、和加速度都可以测量计算而求得。虽然如此，经典力学假定有一组特 别的参考系。在这组特别的参考系内，大自然的力学定律呈现出比较简

12、易的形式。 我们称这些特别的参考系为惯性参考系。惯性参考系有个特性：两个惯性参考系 之间的相对速度必是常数；相对于一个惯性参考系，任何非惯性参考系必定呈加 速度运动。所以，一个净外力是零的点粒子在任何惯性参考系内测量出的速度必 定是常数；只有在净外力非零的状况下，才会有点粒子加速度运动。问题是，因 为力有引力的存在，并无任何方法能够保证找到净外力为零的惯性参考系。实际 而言，相对于遥远星体呈现常速度运动的参考系应是优良的选择。惯性系是不存在引力作用，不存在自身加速度的“口由”参考系。在经典力 学中，这是一种理想参考系：由于宇宙空间中无处不存在引力，实际的惯性系是 不存在的。在广义相对论中，由于

13、引力作用和加速度是完全等效的，对于一个在 引力场屮作自由落休运动的参考系，引力作用和自身加速度的作用抵消。这样的 参考系，是一个真实的“自由”参考系。由于引力场在空间屮的分布是不均匀的, 惯性系只可能是局域的，也被称为局域惯性参考系。宇宙中不存在全局惯性参考 系。2.3.2伽利略变换伽利略变换是两个惯性系描写同一物体运动时，时间和空间坐标的变换式。 体现了运动描写的相对性。为简化起见，设匸相对于s系以速度v只沿x轴方向 作匀速直线运动，且静止于&系的钟及静止于s系的钟读数均为零的时刻，s系 和&系的原点重合。则同一物体任一时刻坐标（x、y、z> t）与（x，、丫、t! &

14、gt; f ）之间的变换关系为：xz = x - vt y' = y z' = zt' = i 时间和空间与物质及其运动无关。时间坐标系和空间坐标系是完全脱离物质而独立存在的。坐标轴上的标度即间隔 与惯性系的选择无关。由伽利略变换易导岀：ax' = axay' = ayaz' = azatr = at说明时间间隔和空间间隔在不同的坐标系屮保持不变。即时间、空间观念与 物质及其运动无关。 吋间空间彼此无关，各自独立存在。这表现在吋间坐标系与空间坐标系可以分离，各自独立存在。虽可配合共同 描写物体的运动（如运动方程，表现为空间处标与时间处标的关系）。

15、但二者并 无内在的必然联系。 经典时空结构的特点:a时间结构。一维性；单向性（这是热力学第二定律不可逆过程概念的贡 献，反映了事物发展因果律的要求）；时间的均匀性（即二at反映出來， 时间间隔的不变性）；同时性概念的绝对性（由伽氏变换易于看出。在s系内不 同地点同时发生的事件即at二0,必然也等于0。说明在9系看也是同时 发生的。这來口于牛顿的“超距作用”观点）；时间是有起点的（上帝对宇宙的 “第一次推动”）；但时间的发展是无限的。即时间是有始无终的、具有单向的 无限性。b.空间结构。三维性；空间的均匀性和各向同性（即伽氏变换中axz = ax > ay7 = ay > azz =

16、 az ,所以空间间隔ax2 + ay2 + az2 = j ax" + ay" + az"具有不变性）；空间的无限性（大至无限；小至无限可分基于牛顿提出 的“质点”理想模型）。这种时空结构是均匀的、平直的，在数学上可用欧儿里 德儿何学描写。时间的“均匀性”和空间的“均匀性”、“各向同性”性可以概 括为“时空对称性原理”。这实质上是“宇宙无中心”的另一表述。这是基于“物 理规律在不同时刻，在空间不同点是等价的”经验捉出的。3狭义相对论的时空观3.1牛顿力学的局限性牛顿创立的经典力学的基本概念和基本原理存在着固冇的局限性，主要表现在以 下几个方面：第一，引入了绝对时

17、间、绝对空间等基木概念。按照牛顿的说法，绝对的、真正 的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而均匀地、与任何其他外界事物 无关地流逝着。绝对空间就其木性而言，是与任何外界事物无关而永远是相同的 和不动的。绝对运动是一个物体从某一绝对的处所向另一绝对的处所的移动。 莱布尼兹、贝克莱、马赫等先后都对绝对空间、时间观念提出过冇价值的异议， 指出过，没有证据能表明牛顿绝对空间的存在。爱因斯坦推广了上述的相对性原 理，提出狭义相对论。在狭义相对论中，长度和吋间间隔也变成相对量，运动的 尺相对于静止的尺变短，运动的钟相对于静止的钟变慢。在广义相对论中，吋空 的性质不是与物体运动无关的：一方面，物体运动

18、的性质要决定于用怎样的空间 时间参照系来描写它另一方面时空的性质也决定于物体及其运动木身。量子论的发展，对时间概念提出了更根本的问题。量子论的结论之一就是： 对于一个体系在过去可能存在于什么状态的判断结果，要决定于在现今的测量屮 做怎样的选择。这种现在与过去z间的相互关系，是与因果顺序概念十分不同的, 暗含于时间概念屮的因果序列耍求过去的存在应是不依赖现在的。因此，用时间来描述事件发生的顺序，可能并不总是合用的。空间与时间是事 物之间的一种次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一种 近似。第二，牛顿虽然对引力的本质持审慎态度，但最终述是对它作了抽彖的、纯粹数 学形式的概括，把它

19、实际看作是一种直接的、即时传递的超距作用力。爱因斯坦的广义相对论对万冇引力做出一种解释，就是时空本身是冇弹性的，可 以弯曲、伸展。当一个有质量的物体置于某一空间时，空间就会弯曲变形，质量 越大，空间弯曲变形就越严重。那么，空间为什么会在冇质量的物体周围弯曲呢？ 爱因斯坦也没能给出答案。所以，爱因斯坦的弯曲空间理论也没冇说明引力的本 质是什么。量子力学关于电荷间的电磁力和强子间的强相互作用力的传递原理的 解释也没冇说明引力的本质是什么。认为引力是通过引力场或引力子来传递的观 点也未得到肯定，因为，至今科学家也没有找到传递万有引力作用的引力子。 第三、在经典力学小物体的质量是恒定不变的，它与物体的

20、速度或能量无关。 在相对论屮质量这一概念的外延就被大大地扩展了。爱因斯坦著名的质能方程 e = mc2使到原來在经典力学中彼此独立的质量守恒和能量守恒定律结合起來， 成了统一的“质能守恒定律”，它充分反映了物质和运动的统一性。质能方程说 明，质量和能量是不可分割而联系着的一方面，任何物质系统既可用质量0!来 标志它的数量，也可用能量e來标志它的数量；另一方面，一个系统的能量减少 时，其质量也相应减少，另一个系统接受而增加了能量时，其质量也相应地增加. 第四，经典力学定律只适用于宏观低速世界，对于可与光速相比的高速情况和微 观世界的适用问题，当时没有涉及也不可能涉及。第五，经典物理学与经典力学的

21、潜在矛盾在经典物理学中，最难使人满意之处恐怕莫过丁对光的描述了。如果微粒说是正 确的，那么人们不禁要问，当光被吸收的时候，组成光的粒子变成了什么呢？而 且为了既表示可称量物质又表示光，必须在讨论中引入不同的实体，这无论如何 也不能使人心安理得。3. 2洛伦兹变换首先介绍一卜洛仑兹变换（惯性系s和v的关系与伽利略变换时相同）。英坐标变换关系为:/ x =y/= y/z = z33爱因斯坦狭义相对论狭义相对论有两个基木假设即光速不变原理和相对性原理。光速不变原理指 出宇宙中光速是一个定值，不因参考系的改变而改变。光的传播是宇宙中弦的振 动的扩散，它跟宇宙的能量密度或整体性质有关。只要宇宙的几个常量

22、不变光速 是不会改变的。相对性原理指出物体的运动是相对的，判断物体是静止还是运动 得首先选择参考系，然后才能判断它的运动状况。相对性原理本身就是一个事实, 只是由于人们的主观感觉，才使得它成为一种假设。狭义相对论的适用范围是：在惯性参考系屮宏观物质的高速运动。所以其时 空观是在物质平均密度小（或引力场弱）的区域，宏观物体作高速运动时时空特 征的反映。由于“高速”与“低速”不同，量变会产生质变。所以狭义相对论时 空观与经典时空观会有质的不同。乂由于“高速”包含“低速”，所以经典时空 观不过是狭义相对论时空观的在物体速度v«c时的极限情况。3. 4狭义相对论的时空观狭义相对论时空观的内容

23、可以分为三个方面:1. 继承了经典时空观中某些观点。如在时间、空间的客观性上；时伺的一维性和单向无限性上（时间的起始问 题未谈及）；空间的三维性和无限性上以及时空结构的均匀性、平直性上（即时 空观念与物质无关），仍坚持了原经典理论的观点。2. 发展了 “宇宙无中心”的观点（即仍坚持了 “时空对称性原理”）。狭义相对论推广了伽利略相对性原理：对一切物理学规律惯性系z间等价。 以全部物理学规律证明，不存在一个绝对静止的惯性系，即不存在一个特殊的时 空。发展了 “宇宙无中心”的观点。3. 狭义相对论的主耍贡献是否定了经典理论的绝对时空观，建立了一种相对时 空观。（1）吋间、空间观念均与物质运动状态有

24、关。“同时性概念是相对的”。曲“光速不变原理”，通过“爱因斯坦火车” 的理想实验，可以得到，不同地点两个事件的同时性与惯性坐标系选择有关。不 同惯性系间区别只在丁运动速度不同。所以“同时性”概念与物质运动速度冇关。 这一点也可以从洛仑兹变换中得岀：由式易得：对s系中两个事件若是同时的，则t2=t10这时,即&系中看，两个事件不是同时的。“吋间间隔是相对的”。由洛仑兹变换式，对同一地点x可以导出可见atz > at ,即运动时钟变慢。这种现象只有在物体高速运动吋才明显可以观察到。例如u介子半衰期变 长，高速运动的氢原子辐射频率降低（或波长变长“红移”）等实验充分证 明了这一结论。

25、“空间间隔是相对的。”由洛仑兹变换式，对同一时刻t可以导出ax =v2/c2 ax'注意这里z为静止于s'系内的尺长。ax为s系观察者看到的同一个尺运 动的尺长。由于ax < ax,所以有“运动尺缩短”或“运动方向上长度收缩”的 结论。这种现象在物体低速运动时很不明显。经过计算可知，普通长度的卡车，当 以v = 40m/h行驶时，约只缩短一个原子直径；火箭比汽车速度大很多，但仍 属低速，如其长度为100m, v = 16200km/h,也只缩短1 / 100価。但当其速度 大到v=0. 8c时，经计算可知其长度将缩短40mo4广义相对论时空观4.1狭义相对论的局限性1、狭

26、义相对论不能解释惯性系的特殊、优越性问题在经典力学中，力学方程在不同的惯性参照系中具有不变性，若将同一物理 现象放在非惯性系中描述，其力学方程将发生改变，这就产生了一个问题：“惯 性参照系是否在物理上具有特殊的性质和较其它参照系更为优越呢？ ”物理学 家牛顿、马赫曾研究过这个问题，但都无法说明同一物理现象对惯性系和非惯性 系为什么会有不同的表现。爱因斯坦创立了狭义相对论，并提出了两条基本原理：相对性原理和光速不 变原理。根据基本原理，推导出新的时空变换关系。在新的时空变换关系中，麦 克斯韦电动力学方程组在不同的惯性系中数学形式相同，电磁规律对所冇的惯性 系都是等价的。爱因斯坦发现在狭义相对论的

27、范畸内，仍然无法解决惯性系的特 殊、优越性问题。爱因斯坦面对的是物理学中一个历史性的难题和挑战。爱因斯坦从牛顿、马赫的失败中认识到从理论上论证惯性系的特殊和优越性 是不可取的，狭义相对论原理对这个理论问题同样做不出解答。爱因斯坦尖锐地 意识到这一点，并认为这是经典力学、狭义相对论都“固有的认识论上的缺点”。 解决这个困难，出路只冇两条:要么从理论上阐明惯性坐标系特殊、优越的物理原 因，要么从理论上消除惯性坐标系特殊、优越的物理地位。爱因斯坦选择了第二 条出路，就是扩大狭义相对论原理的物理内容。1933年爱因斯坦曾回忆说：“如 果速度概念只能冇相对的意义，难道我们还固执地把加速度当作一个绝对的概

28、念 吗？ ”。他思索着从扩大狭义相对论的内容和原理着手，用新的观念和论点从理 论上消除惯性系的特殊和优越。2、“刚性”空间-时间度规不能解决非惯性系小的问题在经典力学屮，时空是绝对的，几何学只是一种数学工具，反映了一个平直 的物理空间。在狭义相对论中，光速是恒定的，以光速为基础的时空也是均匀的、 各向同性的，狭义相对论所依附的四维时空统一体是一个具有平直性质的质欧几 里徳空间。狭义相对论摆脱了绝对时空观的束缚，确立了同时性的相对性，时间间隔的 相对性和空间长度测量与参照系运动状态有关等新的时空观。然而，在同一参照 系屮，仍按统一的测量标准测量时间与长度，这意味着狭义相对论屮仍具冇刚性 的尺和同

29、步的时钟，其空一时度规的性质仍是“刚性”的。爱因斯坦在研究小发现，当我们处在一个非惯性系内的时候，大范畴内平直 的坐标空间概念已经失效，不能够用到处同步的钟和到处一样长度且与取向无关 的尺，狭义相对论所依附的空-时度规不能解决非惯性系的问题。3、狭义相对论不能解决引力现彖问题爱因期坦曾反复运用数学方法修改牛顿的引力理论，企图把引力现彖归纳在 狭义相对论的范畴z内，但没有获得成功。爱因斯坦通过狭义相对论，把电场与 磁场统一起来，把质量和能量统-起来，把牛顿力学方程作了相对论修正，使z与 麦克斯韦方程i办调起来了。接着，爱因斯坦想把引力现彖也纳入狭义相对论的范 畴。他作了初步尝试后发现：物体的质量

30、是它所含能量的量度，若物体的能量改 变那么质量也要改变£lc 按这个结论,物体的惯性质量将随其能量而变， 落休的加速度同它的水平速度或者物体的内能有关。这不符合在引力场屮的一切 物体都具有同一加速度的实验事实。推出的结论不能解释引力场中的普遍事实。4、3广义相对论的基本原理等效原理：分为弱等效原理和强等效原理，弱等效原理认为引力质量和惯 性质量是等同的。强等效原理认为，两个空间分别受到引力和与z等大的惯性力 的作用，在这两个空间中从事一切实验，都将得出同样的物理规律。现在冇不 少学者在从事等效原理的论证研究，但是至少目前能够做到的精度来看，未曾从 实验上证明等效原理是破缺的在处于均匀

31、的恒定引力场影响下的惯性系，所发 生的一切物理现彖，可以和一个不受引力场影响的，但以恒定加速度运动的非惯 性系内的物理现象完全相同。 广义相对论的相对性原理：所有非惯性系和 有引力场存在的惯性系对于描述物理现象都是等价的。爱因斯坦捉出“等效原理”，即引力和惯性力是等效的。这一原理建立在 引力质量与惯性质量的等价性上。根据等效原理，爱因斯坦把狭义相对性原理推 广为广义相对性原理，即物理定律的形式在一切参考系都是不变的。物体的运动 方程即该参考系屮的测地线方程。测地线方程与物体自身固有性质无关，只取决 丁叩寸空局域几何性质。而引力正是吋空局域几何性质的衣现。物质质量的存在会 造成时空的弯曲，在弯曲

32、的时空中，物体仍然顺着最短距离进行运动（即沿着测 地线运动在欧氏空间屮即是直线运动），如地球在太阳造成的弯曲吋空屮的 测地线运动，实际是绕着太阳转，造成引力作用效应。正如在弯曲的地球表面上, 如果以直线运动，实际是绕着地球表面的大圜走。广义相对性原理：物理定律的形式在一切参考系都是不变的。该定理是狭 义相对性原理的推广。在狭义相对论中，如果我们尝试去定义惯性系，会出现死 循环：一般地，不说外力的物体，在其保持静止或匀速直线运动状态不变的坐标 系是惯性系；但如何判定物体不受外力？冋答只能是，当物体保持静止或匀速直 线运动状态不变时，物体不受外力。很明显，逻辑出现了难以消除的死循环。这 说明对于惯

33、性系，人们无法给出严格定义，这不能不说是狭义和对论的严重缺憾。 为了解决这个问题，爱因斯坦直接将惯性系的概念从相对论屮剔除，用“任何参 考系”代替了原来现代性原理中“惯性系”。4.4广义相对论时空观的内容爱因斯坦于1915年又将适用于惯性系的狭义相对论进一步发展，创立了适 用于非惯性系的广义相对论。物理学理论指出，惯性系不过是一种理想状况，它 只在宇宙中一个小范围内近似存在（所谓的“局部惯性系”）。更广泛的情况是人 们站在非惯性系处理问题。惯性系不过是非惯性系的特例。从另一角度讲，非惯 性系相当于物质平均密度大（或引力场强）的区域。显然包括经典理论的物质平 均密度小（或引力场弱）的情况。所以，

34、广义相对论的适用范围是：非惯性参考 系屮宏观物质的高速运动。其时空观是在物质平均密度大（或引力场强）的区域, 宏观物体作高速运动时时空特征的反映。广义相对论乂进一步发展了狭义相对论的时空观。尤其在时空与物质的关系 上做了重要补充。进一步丰富了辩证唯物主义时空观。（一）广义相对论对时空观的主要补充如下1. 乂进一步发展了 “宇宙无中心”的观点。爱因斯坦基于惯性质量与引力质量相等的一些事实，捉出非惯性系与引力场 等效的“等效原理”假设。从而可以将菲惯性系问题转化为熟知的惯性系问题处 理。于是可以把狭义相对性原理进一步推广到任意参考系，导致广义和对性原理 的捉出：一切物理规律在任意参考系间等价。这说

35、明了物体运动规律（以数学形 式表述）的绝对性。它不因人们的观察角度（即参考系选择）而改变（在哲学上 可以说这是物质运动绝对性的一种表现）;也更广泛地说明了宇宙屮没冇特殊的 时空存在，进一步否定了经典理论中“绝对静止时空”的存在。这时，代替洛仑 兹变换的将是广义坐标变换（坐标的一种非线性变换）。2. 补充了时空观念还依赖于物质分布的“相对性”。将广义相对性原理（其数学形式是广义协变原理）与最小作用原理结合，可 以导出宇宙中的引力场方程。从中可以看出时间、空间性质与物质及其运动的具 休的相互依赖关系。极大地丰富了辩证唯物主义关于“时间和空间是运动着的物 质的存在形式”的论断。3. 补充了吋空结构与

36、物质分布的关系。物质密度越大的区域，统一吋空弯曲的曲率越大（这表现为空间越弯曲；吋 间流逝越慢）。所以时空的特性（间隔、弯曲程度等）不但与运动状态有关，还 与物质木身分布有关。三维空间的“弯曲”。可以通过几何测量违反欧氏几何发现。例如，由于光 线的弯曲，导致两点间的最短距离不是由直线测量，而是由曲线（“测地线”） 测量。所以对于四维时空结构的弯曲，要用非欧儿何黎曼曲面儿何学描写。 吋空将构成“四维黎曼时空连续区”。采用曲线坐标系高斯坐标系描写（由 四族曲线构成曲线网类似地球表面二维的经纬线相交一一组成的曲线坐标 系）。吋间流逝快慢与物质密度（或引力场强度）的关系，可用木征吋间dt的公式说 明。

37、式屮dt与引力势屮二0区域对应。由于0<0,所以只要©ho （有引力场）,dr<dt,表明吋间流逝变慢，越人（引力场越强或物质密度越人），时间流逝越慢。显然，在吋空的极小区域，它将退化为欧氏几何的直角坐标系。广义相对论吋空观在极限情况下可以过渡到狭义相对论以及经典的吋空 观。体现了新理论对i口理论的扬弃关系。述须指出，虽然吋空结构的均匀性在局部区域看破坏了。但从大尺度看， 宇宙学原理仍然成立。现代宇宙学的一些观测支持这一看法。5量子理论的时空观量了理论是描述微观物质世界的物理理论的总称。量了力学是描述微观粒 子运动规律的学科，是在i口量子论（19011913年市普朗克、爱

38、因斯坦及玻尔 等人创立）基础上，在19231926年间，由德布罗意、薛定铐、海森堡及玻恩 等人创立。量子场论是描述微观物理场运动规律的学科，是将经典场加以量子化 的理论。它是经典场论（如电磁场理论）、相对论与量子力学结合的产物（如 量了场论中的量了电动力学、止在研究进行的量了色动力学、量了味动力学、量 子引力论）。量子理论的研究范围是微观物质（粒子和场）的高速运动。在宏观低速的条 件下也可以退化为经典理论。量子理论及现代宇宙学在探讨宇宙起源的问题上表现出的吋空观主要有以 下几点：1. 现在时间空间观念可能存在量了化问题即时间、空间间隔可能存在 一个最小限度，超过这一最小限度，现有的物理时空观已

39、不能适用，可能面临着 新的变革。1927年海森堡提出量了力学的一个重要结论测不准关系。它表明，对 微观粒子不可能同吋准确测量其坐标和动量（或速度），即不可能精确确定微观 粒子的轨道。实验证明测不准关系是正确的，是微观物质木身固有的特性（微观 粒了具有波粒二象性）决定的。不是仪器或测量方法的缺陷造成的。这是否预示 着现有物理吋空观的适用范围有个最小界限？即吋间、空间间隔也存在量子化问 题？海森堡首先提岀了这一想法。他曾设想原子核尺度10-15 x是最短的“基本 长度”，但被后來的实验否定了。也有人认为强相互作用的特征时间10-23 10-24秒可能是时间的“量子”，但一直没有可靠的依据。但是，现

40、代宇宙学在宇宙（应指“我们的宇宙”）起源问题上的探讨，却 预示着有时空量了化的存在。在“大爆炸宇宙模型”中，将广义和对论运用于宇 宙起源t二ou寸刻，会得到宇宙起源于“奇点”的结论：即宇宙起源于半径r二0（几 何点），而物质密度p=-的状态。这显然是一种错误的结论。其错误的根源， 是对广义和对论做了不合理的外推。止如爱因斯坦指出的：“人们不可假定这些 方程对于很高的场密度和物质密度仍然是有效的。也不可下结论说'膨胀的起源' 就必定意味着数学上的奇点。总z,我们必须明白，这些方程不可扩展到这样一 些区域屮去。”广义相对论对宇宙起源状态已不适用，则意味着与广义相对论并 存的现冇的物

41、理时空观也冇它的一个最小的时空适用范围即存在物理时空 的量子化问题。那么，现在较公认的时、空最小间隔是多少？ “大爆炸宇宙模型”只在解释 爆炸10小秒以后是成功的。而在t<io-32秒（渺观）情况遇到许多困难。在1980年，美国物理学家占斯提出“暴胀宇宙模型”，考虑了物质量了化, 引入量子理论，较好地解决了 1°4'秒1戸秒时“大爆炸宇宙模型”暴露的问题。 该理论并且预言，宇宙在这一期间处于一种现今未知的物质形态“假真空” 态。对这种状态现有物理学理论只是假设，这是一种极高温、高压，能量密度极 大的状态。而在小于1严秒时，现有物理时空观念均不适用。i大i此，目前较为公

42、认的最短时诩是秒（称为普朗克时间）相应的最小长度是米（称为普朗克长度）与此对应的宇宙温度为wk,物质密度p = 1093 g/cm从小的方面，超过 时空量子化的这一界限，则现今的物质密度是未知物质形态。现有物理 学理论已不适用。这即所谓“奇点”时期。应该认为，这一界限并非否定了哲学 “无限可分”的观点，它只体现了现有物理时空观的局限性。所以，宇宙并非起源于数学上的“点”，而是物理学上的“点”“原始 火球”。它虽小，但尺工0；物质密度。极大，但pw °须指岀的是，对渺观领域的“奇点”，现有的物理时空观念消失了，但哲学 的时空观念仍然存在，不是没有时间、空间观念的世界。恰恰需要用物理学的发 展，用新的物理时空观去丰富哲学的时空观念。2. 宇宙并非起源于没有时间、空间，没有物质的“虚无”，时间，空间仍 是物质存在的形式。首先“假真空态”并非是物质的“虚无”。它只是现今未明的物质形态。量 子场论有一种设想将“假真空态”对应的物质形态称为黑格斯场（预言它