时间与空间科学解释课件

1、时间与空间科学解释616宿舍奉上by Joey时间与空间基本解释一般意义上讲，时间是物质存在的“持续”属性，空间是物质存在的“广延”属性。他们都是物质存在的属性，它们的关系不是简单的比例关系也不是简单的转换关系。他们之间的关联是以物质为媒介的，时间和空间都是相对的，对于不同的惯性系来说，时间和空间的尺度是不一样的，他们都会因运动和引力而发生改变，物质引力和物质运动速度会使空间发生弯曲，会把时间压缩，具体的计算过程是非常复杂的，如果有兴趣可以研究一下广义相对论和量子力学等学科，在不同的理论学说中，时间和空间被给与不同的定义含义。人类对时空认识的过程在物理学中，对空间和时间的认识可以分为三个时段：

2、经典力学阶段、狭义相对论阶段及广义相对论。在经典力学中，空间和时间的本性被认为是与任何物体及运动无关的，存在着绝对空间和绝对时间。 任何两个不同的惯性参照系的空间和时间量之间满足伽利略变换在这种变换下，位置、速度是相对的，即相对于不同参照系其数值是不同的：长度、时间间隔是绝对的，即相对于不同参照系其数值是不变的，同时性也是绝对的。相对于某一惯性参照系同时发生的两个事件，相对于其他的惯性参照系也必定是同时的。在135年前的今天1879年3月14日，二十世纪最伟大的科学家、现代物理革命的先驱爱因斯坦诞生于德国西南的乌耳姆城。在131年前的今天，1883年3月14日 ，马克思逝世。狭义相对论的时空观

3、狭义相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，并不存在绝对的空间和时间。在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的。狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论，因此要弄清相对论的内容，要先对相对论的时空观有个大体了解。在数学上有各种多维空间，但目前为止，我们认识的物理世界只是四维，即三维空间加一维时间。现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思，只有数学意义，在此不做讨论。四维时空是构成真实世界的最低维度，我们的世界恰好是四维，至于高维真实空间，我们还无法感知。举一个例子，一把尺子在三维空间里（不含时间）转动，其长度不变，但旋转它时，它的各坐标值均发生了变化，

4、且坐标之间是有联系的。四维时空的意义就是时间是第四维坐标，它与空间坐标是有联系的，也就是说时空是统一的，不可分割的整体，它们是一种“此消彼长”的关系。四维时空不仅限于此，由质能关系知，质量和能量实际是一回事，质量（或能量）并不是独立的，而是与运动状态相关的，比如速度越大，质量越大。在四维时空里，质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量，动量是描述物质运动的量，因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。在四维时空里，动量和能量实现了统一，称为能量动量四矢。另外在四维时空里还定义了四维速度，四维加速度，四维力，电磁场方程组的四维形式等。值得一提的是，电磁场方程组的四维形式更加完美，完全统一了电和磁，

5、电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。爱因斯坦找到了物质分布影响时空几何的引力场方程。时间空间的弯曲结构取决于物质能量密度、动量密度在时间空间中的分布，而时间空间的弯曲结构又反过来决定物体的运动轨道。如何理解广义相对论的时空弯曲呢？这里我们借用一个模型式的比拟来加以说明。假如有两个质量很大的钢球，按牛顿的看法，它们因万有引力相互吸引，将彼此接近。而爱因斯坦的广义相对论则并不认为这两个钢球间存在吸引力。它们之所以相互靠近，是由于没有钢球出现时，周围的时空犹如一张拉平的网，现在两个钢球把这张时空网压弯了，于是两个钢球就沿着弯曲的网滚到一起来了。这就相当于因时空弯曲物体沿短程线的运动。所以，爱因斯

6、坦的广义相对论是不存在“引力”的引力理论。 用量子理论观点看待时空在广义相对论中，爱因斯坦将时空描述为在根本上是光滑的，只有在受到能量或物质的作用下才会发生扭曲。然而一些量子物理学家们对此持有不同意见，他们认为时空并不是连续的，而是由大量微小的粒子组成的，这些粒子不断出现和消失。对于引力，广义相对论描述为弯曲的时空，这是我们所知的：物体（星体）造成时空的曲率产生引力子，弯曲的时空造成时空涟漪形成引力波，引力子随引力波而传递，并与暗能量相互作用形成引力。然而，对于时空曲率状态下的粒子德布罗意波动，我们利用大尺度下的时空曲率无法与其相互描述而建立一个量子引力理论。则我们猜测时空亦具有量子性，同时具

7、有物质波动，来解释量子引力的相关问题。我们所知的时空，包括物质，都是由一份一份能量子构成的，其数值为，。由该普朗克常量而言，时空确存在最小量。在此，还存在一个约化普朗克常量，在量子力学中经常使用，我们记作。从海森堡不确定性原理而言，这些最小单位量都具有不确定性，其共轭量的乘积大于等于约化普朗克常量。我们可以用一个方程来表达。在一般科学界认同的关于海森堡不确定性原理的特性，即这种粒子谐振状态的来源，我们归于一种称作真空能量的起伏造成的量子涨落一一这是量子力学允许的一种状态，在真空中允许短暂的出现一段正能量子，从而产生一个引力场，通过产生负能量虚粒子与该能量相互消失。在这种微小的涨落中，正能量子必

8、须遵守不确定性，这表示它或许会产生一小段引力波。然而这种横波在某处空间出现的引力子必然具有几率性，这表示，引力波亦可能是一种物质波，对于时空的扰动同样具有几率性。若引力波出现的范围是具有几率性的，对于一般的时空而言，时空尺度亦具有不确定性一一这是对于时空坐标而言的，即时空也具有不确定性。而量子力学的不确定性原理告诉我们，宇宙在微观尺度上是一个闹哄哄的、混沌的、疯狂的世界。在超微尺度上，量子力学核心的不确定性原理与广义相对论核心的空间的光滑几何模型是针锋相对的。这两个主导物理学走向近半个世纪的理论在许多方面，竟然是对立的。但是，两个理论中无论哪一个其本身都不能对自然给出令人满意的描述。相对论不可

9、能单独成为统一场论的基础。没有相对论的量子力学也无法让人满意。将两种时空观统一起来，可以吗？即：是否存在终极理论？同样道理，在弦理论的10维空间中，3维空间和1维时间是可以很容易探测到的宏观维，其他6维是难以探测到的微观的空间维。据说，弦微小到只有10-33厘米，这个长度比我们今天能达到的最小尺度低17个量级，用今天的技术，要银河系那么大的加速器才能直接看见一根一根的弦。从宇宙学的观点上看，我们想象所有的维原来都是紧紧蜷缩着的，然后，3个空间维和一个时间维在大爆炸中展开，一直膨胀到今天的尺度。而其余的空间维仍然蜷缩在一起。这样，就符合了我们看到的周围世界。蜷缩的维度无处不在，是空间结构的一部分。假如我们挥一挥手，我们的手不但穿过三维展开的空间，也穿过了那些蜷缩的空间。弦理论家们认为，在我们的三维空间里，相对论和量子理论就像两块互不相干的碎片，永远也拼合不到一起。但把空间的维数向上抬高为十维，这两块看似互不相干的碎片就