时空观.docx

1、时空观谈谈时空观摘要：首先简述了远古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，空间点具有相对性。接着牛顿继承了哥白尼伽利略的学说，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。关键词：平直时空观. 绝对时空观. 时空度. 相对时空观1、远古平面的时空观1.1 远古时期的空间观在远古时代人类的活动范围很小, 生产力低下, 更谈不上什么科学技术, 只知道上有天, 下有

2、地, 平平的地面向四周延伸,大地是平直的概念也就从经验中产生了。一个容器, 最切身的体验是居住的房间, 上有顶,下有地, 四周有壁, 于是又构成了头脑中的上下四周“空间”概念。高山从平地升起, 地窑在平地以下, 可见空间是可以上下延伸的。在房间里或天地间, 我们既可以向前走, 也可以向后走, 既可以向左走, 也可以向右走。也就是说平面上的方向是相对的, 哪一个方向都是可以随意运动, 无限延伸的, 但上下的方向却有些特殊。高处的东西可以下落, 直至掉进井底, 而井底的东西却不能反“掉”上来, 因此“空间”的上下是不可颠倒的。为了比较空间的大小, 古人需要创造空间的测量方法。起先古人由于没有公认的

3、标准长度作单位, 所以测量的结果是很不一致的。在古代有些部落甚至用首领的脚长作单位, 有些则又用臂长作单位, 首领换了单位也就不同。相同的物体测量的结果不一样引起了不少的混乱。后来长度单位逐渐统一了。在中国这项伟大工程是由秦始皇完成的。从此, 相同的物体也就有了相同的测量结果。在致力于消除测量混乱中, 古人是基于一个最基本的概念的, 这就是客观物体的长度( 时空量度)是固定不变的, 要不统一单位就没有意义了。这是人类对空间概念认识的第一个历程。1.2 远古时期的时间观一切自然现象都在运动和变化之中, “过程”的流逝是一切自然现象和人类活动的基本特征。盘古开天, 耶酥创世, 都代表记时的开始。人

4、类从“过程”的流逝中又抽象出了时间概念。我们的古人很早就注意到, 一切周期变化的过程都可以用来作为时间的测量单位。古人观察到的最简单的周期变化有日出日落, 月圆月缺,有四季的周期变化。于是测量时间的记时单位是日、月、年也就产生了。也许古人从泉水滴漏中得到了启示, 于是古人又创造了滴漏计时器, 时间的计时单位一下子缩短到了一滴水滴下的过程, 这就有点接近今天的分与秒了。古人也认为事物具体“过程”的长短是固定不变的, 或者用今天的话说, 古人在日常经验中看不出“时间”与物体“运动状态”有什么联系。古人对时间的认识还有另一个重要特点, 那就是时间的单向性。人死了不能复生, 这表明事物在发展演变中,

5、其过程都是不可逆反的。过程的不可逆, 带来了时间认识上的单向性。时间的发展方向总是从过去流向未来的。空间的上下不等价, 时间的前后不等价, 长度、时间间隔的不变性, 这就是我们所说的人类远古平面( 直觉经验) 时空观。2、古代时期的时空观2.1 亚里士多德时代的时空观两千多年前亚里士多德和托勒密建立了“地球中心说”。他们认为宇宙是有限的球体, 圆形的地球静止地居于中心； 日、月、星辰都围绕着地球运转; 月亮、太阳、行星和恒星分别处在不同的球壳上，它们都作完美的圆周运动。在亚里士多德的理论体系中, 人类生活的大地不是平板式的, 而是圆球形的。这是时空观的第一次大革命 1 。人类生活的大地不是平面

6、, 而是球面, 在球体上,上与下的概念就变得不是绝对而是相对的了。在球体的一边认为是朝上的方向, 而在球体的另一边则被看作是向下的方向了。反过来也一样，上与下的空间概念一下子由唯一的180的直线方向转而变成了360的任意方向! 怎么能想象, 人类生活的广阔地面一下子变成了一个没有严格上下方向的球面呢? 这显然是与人的直接经验相违背的。两千多年前的亚里士多德, 敢于冲破古人对平面空间的看法, 主张地球是一个球形, 对宇宙给予了统一的解释, 宣布经验只能在局部范围内适用, 这是很了不起的。可以想到, 树立球形的地球观念是需要克服相当大的成见所带来的阻力的。上与下是相对的, 空间的各个方向是等价的,

7、 没有哪一个方向具有特别的优越性, 这就是空间方向的相对性。空间方向由绝对到相对, 人类在认识时空上朝科学时空观迈出了关键的一步。亚里士多德球面时空观仍然保留着空间位置的绝对性。在地球中心说中, 物体在宇宙中的位置具有关键的作用。地球的球心就是宇宙的中心, 每个物体在运动中只要没有阻挡, 都力图达到各自的天然位置。物体之所以运动是因为它们没有达到自己的天然位置。地球附近的物体天然位置是地球的球心。亚里士多德说这是落体运动的真正原因。这样, 在亚里士多德的时空观里, 地球球心的位置就是非常特殊的。在支配万物运动的自然规律中,这个点具有决定性的作用。这就是空间点的绝对性。这样亚里士多德空间虽然具有

8、各向同性的性质, 但空间各点的位置并不等价。亚里士多德的理论基本上是一个定性的理论, 几乎没有定量的物理定律, 因此该理论对时间的理解并没有什么新的突破, 时间仍是过程流逝的伴随物, 一切过程的时间测量也与坐标系的选取无关, 时间是绝对的, 而且具有单向性。总之与远古平面时空观相比, 亚氏时空观消除了空间方向上的绝对性, 而保留了其它绝对性。2.2 牛顿的绝对时空观16 世纪以前在西方, 亚里士多德时空观统治了近一千九百年之久, 亚里士多德的学说成了科学进步的严重障碍。到了16 世纪, 哥白尼创立了“日心说”, 认为太阳居于行星系的中心, 地球和其他行星绕着太阳运转,“地心说”从此开始动摇。此

9、后, 布鲁诺、伽利略、牛顿又为日心说奋斗了许多年, 布鲁诺甚至为此献出了宝贵的生命。以哥白尼伽利略牛顿为代表的新科学,否定了地球中心的特殊地位。这是与亚士时空的第一个不同点，其次，牛顿的时空观表示任何空间点都是平权的，没有特殊空间点的存在。地球的球心同月球的球心一样, 在空间不断地变动着。第三，伽利略则更明确地指出, 物理定律的形式与相互匀速运动的坐标系的选择无关。相对于任何时空点来计算,物理规律都是一样的, 空间被看作脱离物质并且供万物表演的舞台。牛顿力学时空观消除了时空点的不平权性。然而, 时空点平权了, 但却带来了时空的绝对均匀、平直性。不过, 这个绝对平直性在广义相对论中得到了消除。牛

10、顿把时间从物质演变过程中抽象出来, 变成既脱离空间, 也脱离物质的任意流逝的客观物。时间没有起点, 于是时间的单向性也由相对性取代了。不过我们要注意, 牛顿力学的时间可逆性, 并不意味着牛顿力学体系中人可以死而复生, 而是意味着时间的前后是无穷的,既可流向未来也可流向过去。时间的流向在牛顿第二定律中是可逆的。这就是时间流向的相对性。牛顿力学的时空观与亚里士多德时空观相比, 虽然减少了绝对性, 增加了相对性, 但同样也还保留有绝对性。牛顿说: “绝对空间, 就其本性来说, 与任何外在的情况无关, 始终保持着相似和不变。”“绝对的, 纯粹的数学时间, 就其本身和本性来说, 均匀地流逝而与任何外在的

11、情况无关。”空间可以脱离物质的运动, 时间也可以脱离物质的运动, 空间与时间也无关系, 因此, 时空舞台中的空间距离和时间间隔都是绝对的。用今天大家熟悉的话说, 即长度和时间与坐标系的选择无关, 物理定律在相对匀速运动的坐标系中形式不变。总之, 牛顿力学时空观, 消除了亚氏时空观空间点的绝对性时空点的不平权性和时间方向的绝对性， 而保留着时空间隔的绝对性。3、狭义相对论的时空观狭义相对论有两个基本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不变光速是不会改变的。

12、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。下面由两个基本假设推出狭义相对论的时空观2。假设有两个参考系，。静止，相对于以O为起点以速度V向右运动。同时在O点向右发射一束光。如图3.1a所示： 图3.1a初始状态经过一段时间间隔t(t为一个定值)后，运动情况如图31b所示。 图3.1 b t时间段后在参考系上看光从点运动到点A，运动距离为A，在参考系上看光从点运动到点B，运动距离为B， 由于t是同一时间间隔，而光束是不变的即= ,所以A= B。根据牛顿的时空观A是绝

13、对不等于B的。狭义相对论说它俩相等，之所以看起来不相等是因为B的空间收缩。这是狭义相对论的空间收缩，而光速不变是导致这一结论的直接原因。在日常生活中时间只是用来记录事件的先后顺序，而狭义相对论中的时间更侧重于时间在时间维上的流动速度。狭义相对论把时间规定为第四维，时间和三维空间共同组成四维时空。时间和空间是有联系的，时间在时间维上的流动速度和空间运动速度成反比关系，即空间速度越大，时间流动速度越小，这就表现为时间延缓。4、时空观的发展4.1 由狭义相对论的知识解释万有引力有四个等长的长方形空间，它们分别以不同的速度运动，且速度依次增大。根据狭义相对论它们的空间会被压缩。如图： 图4.1 相同体

14、积的四个空间以不同速度运动这是狭义相对论的空间压缩3，是显而易见的。但是当我们从另一个角度看时就会得出一些新的结论。假设上图是同一物体在加速过程中的四个部分，可以理解为相机对一加速运动的物体拍的四张照片。即下图：图4.2一个空间加速的四个瞬间这就是说空间加速运动会改变自己的空间。即空间压缩是因为速度的改变，速度改变是因为加速运动，而加速运动是因为受到力的作用，也就是说力使物体从一个空间度到另一个空间度。这是很简单的推理，那么这个力从何而来呢？比如说物体在地球上空加速下降，物体会受到重力，重力的来源是万有引力，那么，万有引力的来源又是什么呢？这可不好回答。让我们回过头来从新思考“力使物体从一个空

15、间度到另一个空间度”这句话，真是这样的吗？不一定，我们只能说：力与空间度的改变有一定关系，这只是物体运动过程中在力和空间度两方面的表现，至于是因为受到力空间度才改变，还是空间度改变了才受到力，这不好说。如果是后者，那么力的来源仿佛就找到了。 由广义相对论可知得球周围的空间是弯曲的，物体进入到这弯曲的空间内后自己的体积也会随着空间的弯曲进行弯曲压缩。这时候，物体也受到重力，同时加速运动。也就是说物体空间压缩、物体受力、物体变速是物体进入地球空间的三种表现。这三者之间有联系是必然的。而空间压缩是这三种表现的根源。根据大爆炸理论的宇宙观，空间就是物质，物质就是空间，空间是被物质撑开的，没有物质就没有

16、空间。而时间只是物质变动的先后顺序。宇宙就是说有物质的总和。宇宙外面是绝对的“真”空，连空间也没有。而撑开宇宙的物质是最基本的物质，可以认为是微小的粒子。还回到物体在地球上空加速下降的问题上来。因为物体进入到地球的空间，而地球的空间是压缩的，因此，物体也要改变自己的空间来“适应”地球的空间。而空间就是微小的粒子。我们可以想象地球周围空间的压缩是因为受到地球的影响使得组成地球周围空间的粒子的密度增大，粒子与粒子之间的距离减小，进而表现出空间压缩。当别的物体进入到这样的空间时，其物体的空间会压缩即粒子的密度会增大，因为单独的粒子本身有自己震动的能量，使得粒子与粒子之间有一定的间隔，当粒子密度增大即

17、粒子之间距离减小时，就必须把单个的粒子的能量“挤压”出来，进而转化成整个物体的能量。这就可以很好的解释物体进入到地球空间时加速运动的能量的来源了，即所谓的“万有引力”的来源。其实，这里的整个过程根本就没有力，“力”这个名词只是人们在认识事物过程中为了方便理解而起的一个名字而已。它根本不存在的！下面对上文的“挤压”做进一步解释。根据量子力学空间和动量的不对易关系4，当空间无穷大时，微观粒子可以处在一个确定的动量的态（图4.3 a），当空间缩小时，它的动量态的数目会增多，因此它的动量值可能增大(图4.3 b)，极限情况下，空间缩小到一点时，态的数目会无穷多，动量会无穷大(图4.3 c)。如图所示。

18、 图4.3 a 确定的一个动量态 图4.3 b 多个动量态 图4.3 c 无限多个动量态 根据这一原理，由于空间收缩，粒子与粒子之间的距离会减少，其动量就会增大，有可能转化为整个空间的动能。再来澄清一下，上面说是空间的形变把粒子的能量挤压了出来。这只是一种说法，反过来，粒子由于某种原因释放出能量进而使得空间形变也是可以的。只是说空间改变和速度改变是对应的，是一个事实的不同方面。4.2 对洛伦兹时间变换公式的修正同样有四个等长的长方形空间，它们分别以不同的速度运动。根据狭义相对论它们的时间会延缓。如图： （为时间在时间维的速度） 图4.4相同体积的四个空间以不同速度运动这是狭义相对论的时间延缓3

19、，是显而易见的。但是当我们从另一个角度看时就会得出一些新的结论。假设上图是同一物体在加速过程中的四个部分，可以理解为相机对一加速运动的物体拍的四张照片。即下图： （为时间在时间维的速度） 图4.5一个空间加速的四个瞬间那么就可以很轻松的得到时间在时间维的流动速度会受到空间速度的影响，空间速度越快，时间速度就越慢，而这只是表面现象。再往深里说，根据前面的内容，空间速度是跟空间压缩对应的，因此，可以认为时间速度和空间压缩也是对应的。可以试着对这种关系进行一种假设，根据前面的假设空间压缩即粒子与粒子之间的距离减少会释放出能量，这样粒子本身的能量就会减少，因此粒子“动作”就会减慢，时间在时间维上的速度

20、就会减慢。物体运动快，空间压缩，时间延缓，这与狭义相对论是不矛盾的。根据上面说的，时间速度跟空间压缩是对应的，而跟空间速度不一定有关系。据此可做一个假设实验，有两个质量不同的天体，它们相对静止（这个前提是很重要的）。 （为时间在时间维上的速度） 图4.6两个体积不同的天体由于质量不同，根据广义相对论，他们的空间曲率是不同的，即空间压缩程度不同，那么我就说他们的时间速度不同，即时间延缓程度不同；而狭义相对论说由于它们相对静止，它们的时间延缓程度相同。这显然是矛盾的。比如地球和月球，月球上的时间延缓不只是月球相对于地球运动造成的延缓，还有月球和地球空间压缩程度不同造成的时间相对延缓！对于洛伦兹时间变换公式，里面应该加一个质量M项，而且应该嵌套有广义相对论空间曲率的公式。 综上两部分所述，空间压缩跟空间速度有关，空间压缩跟时间速度也有关。这是由大尺度的理论相对论的到的结果，而空间压缩还得归结到微观世界上。微观世界才是宇宙的根本！