時空 -詞語

時空

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時空,時間與空間的簡略集合名詞(時間+空間)。是力學、物理學、天文學和哲學的基本概念。

哲學上,空間和時間的依存關系表達著事物的演化秩序。涉及的發散性概念有周易裏的"乾坤",道家的"道"以及孔孟之道的大成智慧。

時、空都是絕對概念,是存在的基本屬性。但其測量數值卻是相對于參照系而言的。

"時間"是抽象概念,表達事物的生滅排列。其內涵是無盡永前,其外延是一切事件過程長短和發生順序的度量。"無盡"指時間沒有起始和終結,"永前"指時間的增量總是正數。

"空間"是抽象概念,表達事物的生滅範圍。其內涵是無界永在,其外延是一切物件佔位大少和相對位置的度量。"無界"指空間裏任一點都居中,"永在"指空間永現于當前時刻。

狹義相對論中,光速是測量時、空的共同尺子,時、空的變化在此共尺上表現依存規律,即遵從洛倫茲變換。所以,時、空的測量數值是相對于具體慣性系的.光速在狹義相對論中是絕對量,對于任何慣性參照系光速都是常量c。

  • 中文名稱
    時空
  • 外文名稱
    space-time

漢語詞語

基本信息

詞目:時空

拼音: shí kōng

註音: ㄕㄧˊ ㄎㄨㄙ

基本解釋

[time and space] 時間和空間

任何事物都處于一定的時空之中

引證解釋

指時間和空間。

陳原《社會語言學》2.5:"為打破時空的限製,人們發展了書面語--即文字。"蕭乾《一本褪色的相冊》一:"它能沖破時空局限,使生活從平面變為多棱多角。"

物理概念

理論

歷史與概念

空間和時間也是人類文明中一些最古老的概念。

遠古時期原始的耕作、放牧需要丈量大地、順應天時,產生了簡單的空間和時間的概念及其度量方法。

在中國古代,早就有"上下四方曰宇,往古來今曰宙"之說,這裏的"宇"和"宙"就是空間和時間的概念。這也是原始的三維空間和一維時間的概念,並和宇宙密切聯系起來。

近代科學的發端,必然涉及空間和時間的概念及其測量方法。近幾個世紀以來,力學、物理學和天文學對空間和時間的認識大體上可分為相互交織的兩條線索:

從以牛頓力學和麥克斯韋電磁理論為代表的空間-時間概念,經過狹義相對論和廣義相對論,發展到現代宇宙論,這是一條線索。

同時,從經典力學經過量子論、量子力學和量子場論,到追求量子引力、超弦和M理論,這是另外一條線索。

物理學對于空間和時間的認識,還存在著一些基本問題有待解決,還在不斷地發展。

絕對時空

通常,為確定一物體的大小,要知其形狀和尺寸。

對于長方體,知其長、寬和高,利用歐幾裏得幾何的公式就可計算其體積,隻要知道它相對于另一個可忽略大小的靜止參照物的上下、左右和前後距離,同樣利用歐幾裏得幾何就夠了。

描述運動物體的瞬間位置還不夠,還需要知道瞬間的速度和加速度。由此,可抽象出三維空間坐標系和一維時間坐標的概念。物體的運動性質和規律,與採用怎樣的空間坐標系和時間坐標來度量有著密切的關系。為了確定慣性系,L.牛頓抽象出三位絕對空間和一位絕對時間的觀念。絕對空間滿足三維歐幾裏得幾何,絕對時間均勻流逝,它們的本性是與在其中的任何具體物體及其運動無關的。相對于絕對空間的靜止或勻速直線運動的物體為參照物的坐標系,才是慣性系。

在經典力學中,任意一個物體對于不同的慣性坐標系的空間坐標量和時間坐標量之間滿足伽利略變換。在這組變換下,位置、速度是相對的;空間長度、時間間隔、運動物體的加速度是絕對的或不變的。時間測量中的同時性也是不變的;相對于某一個慣性參照系的兩個事件是否同時發生是不變的。相對于某一個慣性參照系同時發生的兩個事件,相對于某一個慣性參照系同時發生的兩個事件,相對于其他慣性參照系也必定是同時的,稱為同時性的絕對性。牛頓力學的所有規律,包括萬有引力定律,在伽利略變換下其形式是不變的。這一點可以抽象為伽利略相對性原理;力學規律在慣性參照系的變換下形式不變。同時,不變性與守恆律密切相關。運動物體在伽利略變換下的時間平移不變性,對應于該物體的能量守恆;在伽利略變換下的空間平移和空間轉動不變性,對應于該物體的動量守恆和角動量守恆。

牛頓力學定律及其在伽利略變換下的不變性,促成對牛頓的絕對空間概念的懷疑。

如果存在絕對空間,物體相對于絕對空間的運動就應當是可以測量的。

這相當于要求某些力學運動定律中應含有絕度速度。但是,在牛頓力學規律中並不含絕對速度。換言之,牛頓力學定律的正確性,並不要求一定存在絕對空間。

在牛頓提出絕對空間概念之後,先後有人對這種觀念提出抗告。事實上,沒有有力的證據表明存在絕對空間。然而,隨著牛頓力學和萬有引力定律的極大成功,牛頓的絕對空間和絕對時間的概念,也一直在自然科學界和哲學界佔據主導地位。

但是,在牛頓體系中無法建立簡單的宇宙圖像。

一種簡單的宇宙圖像是:在無限大的絕對空間和無窮長的絕對時間中,無限多恆星或星系在其中大體靜止,平均光度大致均勻。然而,這種樸素的宇宙圖景,在萬有引力的作用下是不穩定的,而且連為什麽夜間天空是黑暗的這樣簡單的問題,都無法回答。

19世紀J.C.麥克斯韋總結出電磁學的基本規律--麥克斯韋方程組,這組方程中出現了光速C。隨後又發現了電磁波。

受牛頓絕對空間和絕對時間觀念支配的物理學界,自然認為在絕對空間中充滿著以太,麥克斯韋方程僅在相對于絕對空間靜止的慣性參考系中成立,電磁波是以太的波動。

這種觀念的必然推論是,在地球這個相對于絕對空間運動的系統中,麥克斯韋方程僅近似成立。電磁學或光學實驗應該能夠測量出地球相對于以太的漂移速度。

但是,所有這類實驗都得到否定的結果。這表明,忽略地球的非慣性運動的效應,麥克斯韋方程仍成立,並不存在以太漂移。這樣,牛頓的絕對空間和以太觀念都受到了挑戰。

相對時空

20世紀初,A.愛因斯坦提出了狹義相對論,擴展了伽利略相對性原理,不僅要求力學規律在不同慣性參照系中具有同樣形式,而且要求其他物理規律在不同慣性參照系中也具有同樣的形式。

愛因斯坦還假定在不同慣性參考系中單程光速C是不變的。據此,不同慣性系的空間坐標和時間坐標之間不再遵從伽利略變換,而是遵從非齊次洛倫茲變換。

根據這類變換,尺的長度和時間間隔(即鍾的快慢)都不是不變的;高速運動的尺相對于靜止的尺變短,高速運動的鍾相對于靜止的鍾變慢。

同時性也不再是不變的(或絕對的);對某一個慣性參照系同時發生的兩個事件,對另一個高速運動的慣性參照系就不是同時發生的。

在狹義相對論中,光速是不變數,因而時間-空間間隔(簡稱時空間隔)亦是不變數;一些慣性系之間,除了對應于時間平移和空間平移不變性的能量守恆和動量守恆之外,還存在時間-空間平移不變性;因而,存在能量-動量守恆律。根據這一守恆律,可導出愛因斯坦質量-能量關系式。這個關系在原子物理與原子核物理中極為基本。

狹義相對論否定了19世紀以太的存在,電磁波是電磁場自身的波動。這樣場就成為與實物有所不同的物質形式。

同時,這也否定了牛頓的絕對空間和絕對時間,並通過光速不變原理把一維時間和三維空間聯系了起來,成為相互聯系的四維時間-空間。H閔科夫斯基首先發現了這一性質,因而稱為閔科夫斯基時空。四維閔科夫斯基時空的幾何是度規具有符號差的歐幾裏得幾何,其不變群就是非齊次洛倫茲群。

狹義相對性原理要求所有的物理規律對于慣性參考系具有相同的形式。然而,把引力定律納入這一要求並不符合觀測事實。愛因斯坦進而提出描述引力作用的廣義相對論,再一次變革了物理學的時間-空間觀念。

按照廣義相對論,如果考慮到物體之間的慣性力或引力相互作用,就不存在大範圍的慣性參照系,隻在任意時空點存在局部慣性系;不同時空點的局部慣性系之間,通過慣性力或引力相互聯系。存在慣性力的時空仍然是平直的四維閔科夫斯基時空。

存在引力場的時空,不再平直,是四維彎曲時空,其幾何性質由度規具有符號差的四維黎曼幾何描述。時空的彎曲程度由在其中物質(物體或場)及其運動的能量-動量張量,通過愛因斯坦引力場方程來確定。

在廣義相對論中,時間-空間不再僅僅是物體或場運動的"舞台",彎曲時間-空間本身就是引力場。表征引力的時間-空間的性質與在其中運動的物體和場的性質是密切相關的。

一方面,物體和場運動的能量-動量作為引力場的源,通過場方程確定引力場的強度,即時空的彎曲程度;另一方面,彎曲時空的幾何性質也決定在其中運動的物體和場的運動性質。

如太陽作為引力場的源,其質量使得太陽所在的時空發生彎曲,其彎曲程度表征太陽引力場的強度。最鄰近太陽的水星的運動軌跡受的影響最大,經過太陽邊緣的星光也會發生偏轉,等等。

廣義相對論提出不久,天文觀測就表明,廣義相對論的理論計算與觀測結果是一致的。

然而,20世紀中後期的研究表明,在物理上可以實現的條件下,廣義相對論的時間-空間必定存在難以接受的奇異性。在奇點處時間-空間亦即引力場完全失去意義,這是廣義相對論在理論上存在問題的表現。

宇宙的整體性

對于空間和時間的認識,一直與宇宙的認識密切相關。現代宇宙論以宇宙學原理和愛因斯坦引力場方程為基礎。

宇宙學原理認為,宇宙作為一個整體,在時間上是演化的,即有時間箭頭,在空間上是均勻各向同性的。

20世紀中期,提出的大霹靂宇宙模型,解釋了河外星系紅移,預言了宇宙微波背景輻射,對于宇宙的演化、星系的形成、輕元素的豐度等都能給出了基本上與天文觀測相一致的解釋,也解決了牛頓體系無法建立宇宙圖像的問題。

可以說,宇宙作為一個演化的整體的認識的一個重要成就和標志。然而,前面提到的奇點,卻又處在宇宙大霹靂的起點或星系核或黑洞的中心,這就給宇宙起源、星系演化帶來新的問題。

量子理論的時空觀

20世紀初物理學從經典力學到量子理論的變革,對于空間和時間的觀念同樣引起了革命性的變化,也引起物理學界的窘迫。

量子力學描述的系統的空間位置和動量、時間和能量無法同時精確測量,他們滿足不確定度關系;經典軌道不再有精確的意義等,如何理解量子力學以及有關測量的實質,一直存在爭論。20世紀末,關于量子糾纏、量子隱形傳輸、量子信息等的研究對于時間-空間密切相關的因果性、定域性等重要概念,也帶來新的問題和挑戰。

量子力學與狹義相對論的結合導致的量子電動力學、量子場論、電弱統一模型,包括描述強作用的量子色動力學在內的標準模型,雖然取得很大成功,但也帶來一些挑戰性的疑難。在深刻改變著一些有關時間-空間的重要概念的同時,也帶來了一些原則問題。

如真空不空、存在著零點能和真空漲落,大大改變了物理學對于真空的認識。

在此基礎上,量子電動力學的微擾論計算可給出與實驗精密符合的結果,然而這個微擾展開卻是不合理的。對稱性破缺的機製使傳遞弱作用的中間玻色子獲得質量,然而黑格斯場的真空期望值和前面提到的零點能,在一定意義上相當于宇宙常熟,其數值卻比天文觀測的宇宙學常數大了幾十到一百多個數量級。

量子色動力學描述誇克和膠子之間的互相作用,但誇克和膠子卻被囚禁在強子內部,至今沒有發現自由的誇克和膠子,這個問題可能與真空的性質相關。

另一方面,量子理論預示,在10^-33釐米、10^-43秒這樣小的空間-時間尺度上,空間-時間的經典概念將不再適用。要解決這個問題,必須建立理論上自洽的量子引力理論,即量子時空理論。然而,量子理論和廣義相對論如何結合一直沒有解決。一個或許有希望的候選者是超弦理論或M理論。

可是,在量子意義上自洽的超弦理論或M理論,隻能在一維時間-九維空間或一維時間-十維空間上實現。

這就引起一些深刻的問題:如何回到一維時間-三維空間。為什麽現實的空間是三維的,時間是一維的,或許宇宙僅僅是高維時空中的"一片"(可稱之為"膜")。然而,從高維空間-時間回到四維空間-時間顯然有不止一種方法。那麽,在"膜"宇宙以外,是否可能存在其他的"膜"宇宙?在宇宙產生于大霹靂之前,是否還會有其他的階段等。這些問題的研究和解決,與暗物質、暗能量,以及宇宙常數等問題都有著密切的聯系。

宇稱不守恆

力學和電磁學規律對于把慣性參考系從左手系變為右手系是不變的。把時間反號也是不變的。這些稱為空間反演和時間反演不變的規律性與空間和時間的概念密切相關。同時,還存在與這些對稱性相聯系的正反電荷對稱性。但在微觀粒子的弱相互作用中,空間反演不變、時間反演不變和正反電荷反演不變這類規律性不再成立。從20世紀中期李政道和楊振寧提出宇稱不守恆,並為實驗證實開始,物理學正逐步認識到這一點。不過,至今還不清楚更深刻的本質是什麽。

暗能量和宇宙常數

20世紀90年代末以來,天文觀測有了很大的進展。已經確定,看不見的暗物質和與通常的能量完全不同的暗能量至少分別佔據宇宙中總的物質和能量的兩成和七成以上;宇宙常數為正,約為10^-52釐米^-2。這樣,宇宙空間-時間就不再是漸近平坦的,而應該是漸近正的常曲率時空。但是,對于正的常曲率時空,不僅超弦或M理論具有原則上的困難,通常的量子場論、量子力學,乃至經典力學都會遇到困難。因為,在理論上還沒有公認的方式自洽地定義物理和力學的可觀測量。至于宇宙常數的數值為什麽這樣小,也是一大難題。

結論

在歷史上任何一個階段,人類對于空間和時間的認識,都不是完備的、不存在問題的,隻不過有些問題一時沒有發現而已。人類對于空間和時間的認識,正是這樣不斷地提出問題、解決問題,在實踐中不斷深化著。

其它相關

認識

下面這段文字並非出自科學理論,更像空想家即興之作,但對于"時空"的思考有一定的啓示意義。

"存在與虛無是世界的本原,形式為變化的存在,時空即出于此"

1.空間由物質(存在)運動(變化)的規律性決定

2.空間是有限無界的,又是相對無限的;

時空時空

3.空間位置的差異,實質上也是規律的差異

4.空間的維度是無窮的

5.變化是全向的,但其作為時間本原又是單向的

6.空間處于變化層面上,構築上層建築"宇宙"。

7.時間與空間是相互依存的。

8.時間空間而已看做是一個扭曲的圖形看似無限其實是有限

9.對時間,空間與運動的思考空間和時間是虛擬的思維感覺。有找不著,離不開的真實感受。

10.空間無限包容所有存在,包括物質及非物質的存在。

11.時間無限充滿空間,與所有存在密不可分。

穿越方法

時空時空

還有一種理論,即使超越光速,也是在事情發生之後折射出的事情的光影,也就是說你能超越光速去當時光影看到事情經過。你無法去影響它的發生。

我們在第三章中已經闡述過"什麽是時間"和"什麽是空間",並認為通過強能場或力場的手段是無法使時間倒流,也不可能以超光速使時間倒流。相對高速的運動隻會讓單位時間延緩,即一秒的時間的"嘀~嗒"間隔拉長。而從"空間"角度,我們也從第三章中了解"空間"是宇宙基態真空,而不是相對論中的重力場或引力場線構成的。因此即使有方法製造出"超空間",也一樣不可能穿越時空回到過去。同樣,如果利用某些特殊的天體,如:黑洞的強大力場,也是不可能令時空倒流。因此,我們也許會失望地看到:電影"星際迷航"中的黑洞時空穿梭隧道其實是忽悠人的方法。

而同樣,現代物理學中的超弦理論,去尋找物質體的最小本源的"弦",這種擁有"十一維空間"結構的概念一樣不會提供"蟲洞""孔洞"的途徑讓我們去穿越時空。這些隻是幻想,都是由相對論裏對時空錯誤理解而引發後來的理論對時空的認知。

盡管如此,也不代表絕對無法穿越時空,至少在相對論等現代物理學的範疇裏,我們還是可以延緩時間去未來的。至于回到過去,也不是絕對沒有方法的。我在早期研讀現代物理學的基礎理論時,也曾非常失望過,認為我們的宇宙絕對不可能提供一個時空穿梭的途徑。但是後來,我在我所逐漸拓展的對宇宙起源宇宙結構的認知的基礎上,我找到一種可能的渠道。請註意,這個方式可能是可行的,但整個過程仍舊有許多科學技術無法突破的障礙。

但還有一種說法認為,時間處于第四維空間並超高速運動,三維空間所有事物相對其靜止。如果順或逆時針超高速(指超過時間運動的速度)運動,則有可能穿越時間。

基態真空

在第二章中,我們介紹了"空間折疊"。而在介紹"空間折疊"中,我們引入了一個概念,這也可能是現代物理學忽略的一點:基態真空為0能量,即沒有一切形式的能量,包括振動、波動等一切形式能量。而在第三章中,我們也簡單介紹了"什麽是時間"中,也解釋了"時間"是能場或力場的表現,人們的感性認知。那麽,從中我們可以看到,基態真空是0能量的同時,時間也為0.

也許你會發問,真空(基態真空)不是會因為西格斯機製自發破缺能量元嗎?而我可以告訴你,基態真空在相對地球上的我們人類歷史小範圍時間上,甚至基態真空中的某些區域可能是非常穩定。實際上,我們應該已經發現,我們各個時期地球歷史時間上的基態真空的時間都為0.也就是說基態真空的0時間對應著我們宇宙可視世界裏的所有相對時間歷史。

圖基態真空對應的地球歷史時間,其小範圍內基本是穩定的,可視基態真空的時間為0時間。

我要說的意圖已經很明顯地從圖中看出,穿越時空的方法就是要進入基態真空0速度初始慣性系狀態,不要忘了我們所處的世界是相對基態真空以無限大速度的粒子形態世界。由于宇宙的背景空間場(或是U慣性系能量場/也可能是宇宙常數)衰退的緣故,真空中的光速變成了可視世界裏的最快的速度極限,並且,真空光速比早期宇宙的真空光速要慢的多了。要想進入基態真空進行時空倒流,就要先突破光障。除此之外,即便能僥幸進入0能量0時間狀態中,也不一定能找得到"相對時間的方向"。也許,你反而會到未來,甚至莫名的地方。

在本章所闡述的時空穿梭的方法,還有一個疑問。當時間機器從A時間回到過去的B時間時,A時間裏的宇宙總能量就會比B時間少。這個總能量的減少可能會導致基態真空的某些區域異常,使原本穩定的區域0時間0能量場不穩定。從而使時空穿梭的 頻次受到影響,有可能令回到過去的人無法隨時回到原來的時空中。

隧道理論

時空隧道:從一個時間一個地點到另一個時間另一個地點的通道。

形態

據美國太空網報道,根據一項最新研究表明,時空是平滑的而不是泡沫狀的,這項研究成果可能意味著在這方面愛因斯坦的理論戰勝了其後的許多量子物理學家。

愛因斯坦的廣義相對論預言由于地球的自轉效應,地球周圍的時空將不僅僅是凹陷的,還會存在一些扭曲。這一結果被美國宇航局的引力探測器B所證實。

在廣義相對論中,愛因斯坦將時空描述為在根本上是光滑的,隻有在受到能量或物質的作用下才會發生扭曲。然而一些量子物理學家們對此持有不同意見,他們認為時空並不是連續的,而是由大量微小的粒子組成的,這些粒子不斷出現和消失。而根據此次最新的研究結果,在這個問題上愛因斯坦可能是正確的。

一個科學家小組對三顆穿越漫長恆星際空間的光子開展追蹤。這些光子是從大約70億光年外的一次伽馬射線爆發事件中被釋放出來的。在經過漫長的旅途之後,在2009年5月,這些光子最終被美國宇航局的費米伽馬射線空間望遠鏡捕捉到,每顆光子之間的時間間隔僅有1毫秒。

研究的結果強烈支持愛因斯坦的理論。這些來自伽馬射線暴事件的光子波長極短,因此按道理它們將可以和量子物理學家們所提出的時空泡沫顆粒發生反應。

如果這種泡沫真的存在,那麽這3顆光子在其長途跋涉中其路徑應當會受到輕微影響。研究者指出,考慮到這種情況,這3顆光子幾乎同時抵達費米望遠鏡的幾率是非常低的。

因此,從此次探測結果來分析,這項結果對于認為時空泡沫存在的量子論是一個重大打擊,盡管這還並非致命性的一擊。該項研究的第一作者,密歇根理工大學科學家羅伯特·涅米洛夫(Robert Nemiroff)表示:"如果這種泡沫真的存在,那麽其粒徑必定要小于普朗克長度,這就可能意味著需要涉及其它的物理學領域。"所謂普朗克長度是一種幾乎小到難以置信的長度單位,其具體數值大約相當于一顆氫原子直徑的萬萬億分之一。

涅米洛夫本周三已經將相關研究結果提交美國天文學會第221次會議,他說:"這裏當然可能存在統計誤差,或者這種時空泡沫和光子之間的相互作用是以一種和我們目前的構想不同的方式進行的。"如果這項研究成立,那將產生重大意義。

在一份聲明中,路易斯安那州立大學科學家布萊德利·施萊弗(Bradley Schaefer)表示:"如果未來對于伽馬射線暴的研究能夠證實這項研究結果,那麽就說明我們可能已經了解到有關宇宙的一些非常基本的性質。"

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