物理时空观的进展

物理时空观的进展时间和空间是哲学的基本概念（范畴），也是物理学的基本概念。因为它们与“物质”这一范畴紧密相关。至今看来，对它们最科学的“定义”，是由辩证唯物主义给出的哲学“定义”：“空间和时间是运动着的物质的存在形式。空间反映了物质存在的地位（位置）及它的广延性（大小）；时间反映了物质运动过程的持续性（长短）和顺序性（状态先后）。”该“定义”最科学地反映了“时间”“空间”概念的本质。作为基本概念的物理量，还应人为规定它们的单位。“米”：原来规定通过巴黎子午线的四千万分之一为1米。1983年国际计量大会从稳定性考虑（可准确复现），最新规定为“米是光在真空中1／299792458秒内所经过的距离”。“秒”：最早是以基于地球自转的“平太阳日”来规定的。一个“平太阳日”的1／86400为1秒。1967年国际计量大会更改为：“位于海平面上铯-133原子基态的两个超精细能级之间在零磁场中的跃迁周期T与1秒的关系为：1秒=9192631770T。”一切基本概念物理量的单位都是基于实验的人为规定。从可以“准确复现”考虑，随实验技术水平的提高，单位规定的更改是必然的。当然这必须国际上做统一规定才能生效。应该明确指出恩格斯基于自然科学成果得出的辩证唯物主义时空观虽“源于”自然科学，但却“高于”自然科学的认识。这里的“高于”二字，并非指哲学的认识超越自然科学的认识，而是指从实践中得到的正确的（即科学的）抽象。辩证唯物主义时空观汲取了当时经典物理时空观中唯物主义的合理部分，抛弃了其形而上学的内容，突出了辩证法因素。以后的物理学发展表朋，恩格斯关于时空观的论断至今也没有过时，而且物理学的发展又在不断丰富和发展这一认识，对现代物理学时空观的研究仍然具有指导意义。辩证唯物主义时空观是对自然科学（尤其是物理学）时空观的概括和总结。它来自于自然科学，又随自然科学的发展而不断丰富其基本观点。物理学时空观与哲学时空的主要区别是其带有明显的“相对性”。即随着物质分布层次的深入（宏观到微观）或拓展（宏观到宇观）以及运动状态的改变（由低速到高速运动），物理时空观必定不断进行变革，越来越反映实际。但每一相应的时空观都有其适用范围（局限性）。物理学时空观的进展不断丰富和发展着哲学时空观的基本观点。时间和空间作为物理学的基本量，应有其“定性定义”和“定量定义”，这在物理学时空观进展的不同阶段，其内容是有区别的。下面主要从反映时空概念本质的“定性定义”方面阐述物理时空观的进展情况。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口，并伴随新时空观的产生。一、物理学的旧时空观创立物理学旧时空观的主要代表人物是古希腊的哲学家亚里士多德（Aristoteles，公元前384—322年）和古希腊天文学家、地理学家托勒密（C．Ptolgme公元90—168年）。这一时空观在历史上从公元前三世纪至公元14世纪，延续了一千五百多年，直到欧洲文艺复兴时期以前。旧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。旧时空观的形成，却更多地来自于对一些实际观测的解释。而且是历史上第一次企图从客观上给予宇宙一个统一体系的认识。因此，它具有朴素的唯物主义思想（虽然并没有完全摆脱神学的影响）。旧时空观的主要观点反映在“地球是宇宙中心”的“地心说”中，到托勒密时期，它已形成了较完整的宇宙结构学说。“地心说”的主要内容是：地球是圆球形的。它位于宇宙中心不动。宇宙是封闭的。由球面天幕（天球）包围着。天幕内充满空气、土、水、火及天体物质。日、月、行星（当时只知有五颗行星）位于地球与天幕边界之间，它们都围绕地球以圆形轨道旋转，并根据运动越快的天体离地球越近的原则，排列了它们的顺序（即月球、水星、金星，太阳、火星、土星，其他恒星天体）。而远离地球的宇宙最外层是神灵居住的极乐天堂。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自然归宿的普遍特性。物体运动的原因是“它们还没有达到各自的天然位置”。以月球为界，宇宙分为两部分：“月上”的物体其天然位置在天球上，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。物质中较密集的部分尽可能地接近宇宙中心，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、历法及生产实践中起了很重要的作用。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本上是唯物的，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，由于历史的局限性，“地心说”本身存在许多不符合实际的错误结论。如认为地球不动，承认有绝对静止的存在；认为地球有处于宇宙中心的特殊地位，承认宇宙有中心；认为圆运动是宇宙中天体最完美的运动。这既忽视了物质运动的复杂多样性，也忽视了从物质相互作用的角度去寻求运动轨道的动力学原因。没有将“从物质本身寻找原因”这一思想贯彻到底……。正由于该理论本身的缺陷，在托勒密死后约一千多年时，托马斯·阿奎那（T·Aguinas．1226—1274）将“地心说”与神学结合成一体，为宗教神学所利用。地球在宇宙中的特殊地位为宗教神学的上帝创世说找到了“科学根据”。神的力量支配时空，支配天上及世俗的一切。他们抹杀了“地心说”原有的科学道理和方法，反而将“地心说”变成压抑、禁锢人们继续探索自然奥秘的枷锁。谁反对“地心说”，就是反对“上帝”，就是异端邪说。“地心说”完全被唯心主义者利用了。但是，应该明确指出，“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”本身说成是唯心主义的，是不符合客观实际的。以“地心说”为代表的旧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，而是力图从物质本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，正确的认识到“上”“下”观念是相对的。但是，它的宇宙空间却是有限的，是有中心的。3．承认时间的无限性。因为它至少承认了天体圆运动的永恒性。但没有说明宇宙有无起源，即时间有无起点的问题。（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”中没有明确说明时间、空间二者的关系，以及时空与物质的关系；更没有说明时空与物质运动的关系。二、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白尼（N·Copernicus．1473—1543）、意大利数学家和力学家伽利略（G·Galilei．1564—1642）以及英国物理学家、数学家和天文学家牛顿（I·Newton．1642—1727）。而牛顿的绝对时空观是经典时空观的集中反映。这一时空观从公元14世纪一直延续到19世纪末、20世纪初（狭义相对论建立之前）。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，从物理学中运动学的角度说，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”中“均轮”、“本轮”那一套复杂的描述。所以只从运动学角度，还看不出“日心说”比“地心说”本质上的优越性。然而，哥白尼并不把理论描述的简单性只视为一种处理上的技巧问题。他认为理论描述中的数学表达愈简单，就愈接近自然的真实解释。这一次的事实正是这样。“日心说”的确是一次重大的革命。“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——太阳系结构的本来面目，也为牛顿在动力学方面的研究（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”有本质上的区别。“日心说”把地球降到了一般行星的地位。这冲击了宗教神学，但为自然科学的发展摆脱神学的束缚开辟了道路。“日心说”的缺点是：仍然是宇宙中心论。并承认太阳的绝对静止；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．伽利略的主要贡献是：(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）和时间概念的确切的数学形式。明确说明真实空间的三维性和时间的一维性。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中都相同。”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。”3．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利略变换的思想，并完整地叙述了绝对时空观。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，又建立了动力学的牛顿三定律。以上这些基本规律都是大量实验的总结。它们在牛顿力学体系中均处于基本原理的地位。而且可以严格证明：按伽利略变换，牛顿定律完全满足伽利略相对性原理的要求。即三者完全协同一致。因此伽利略变换反映的时空观，完全集中体现了经典物理学的时空观。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S＇相对于S系以速度v只沿x轴方向作匀速直线运动（图1），且静止于S＇系的钟及静止于S系的钟读数均为零的时刻，S系和S＇系的原点重合。则同一物体任一时刻坐标（x、y、z、t）与（x＇、y＇、z＇、t＇）之间的变换关系为：以牛顿的观点为代表的经典时空观的主要观点是：(1)承认时间、空间的客观存在。牛顿说：“绝对空间，因其本身性质，是与任何外界事物无关的，永远保持相同的和不动的。”是容纳物体的容器。又说：“绝对的、真正的或数学的时间本身，由于其内在性质而均匀地、与任何外界事物无关地流逝着。”是容纳事件的容器。空间、时间脱离物质及其运动而客观存在。因此，经典时空观从哲学上基本上属于唯物的观点。当然这是不彻底的，例如他后来提出的上帝对宇宙的“第一次推动”。但一般来说，物理学的时空观所以在相应的时代，还能够反映物质运动的规律，其原因是基本上唯物地反映了物质某一层次的真实情况。(2)绝对（即形而上学）时空观。①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。由伽利略变换易导出：说明时间间隔和空间间隔在不同的坐标系中保持不变。即时间、空间观念与物质及其运动无关。②时间空间彼此无关，各自独立存在。这表现在时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，表现为空间坐标与时间坐标的关系）。但二者并无内在的必然联系。③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△t＇=△t反映出来，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△t=0，必然△t＇也等于0。说明在S＇系看也是同时发生的。这来自于牛顿的“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△x＇=△x、△y＇=△y、△z＇=△z，所以空间间隔具有不变性）；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，在数学上可用欧几里德几何学描写。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”经验提出的。可以严格证明：时间均匀性将导致有能量守恒定律的存在；空间均匀性将导致有动量守恒定律的存在；空间的各向同性将导致角动量守恒定律的存在。这三个守恒定律的存在已被大量实验事实所证实，而且还超出了宏观低速领域。至今还没有实验能推翻这三条守恒定律的存在。也就是说，在我们至今研究的时空领域内，还认为时空对称性原理是正确的。经典时空观已经抛弃了旧时空观的“宇宙中心论”，这是很大的进步。伽利略相对性原理已经明确指出，对力学规律惯性系之间都是等价的，没有特殊的时空存在（“宇宙中心”就是一种特殊的时空）。由于惯性系概念是理想的，所以在某种研究的场合，有惯性系近似程度的选择优劣问题。因为惯性系选择的好，才能使经典理论适用。在地球附近的实验室内，地球为惯性系已足够好；研究太阳系内的运动，地球已不能看为惯性系。应选择太阳为惯性系；在更大尺度上，惯性系近似程度还须提高，如过渡到银河系中心，微波背景辐射……这些并非意味“宇宙中心”的转移，而只是惯性系选择的转移。时、空的均匀性、空间的各向同性并不改变。值得提出的是，在牛顿的头脑中仍坚信绝对静止的空间——一种特殊的惯性系，特殊的空间存在。有人并提出宇宙中存在着“以太”，将它作为绝对静止空间的物质基础。然而，这些想法不但不能为经典物理理论证明，而且后来为近代物理的发展所推翻（如“以太”的否定，“相对性原理”的推广等）。经典时空观的近似性，是与经典物理理论的适用范围有关的。它是在物质平均密度小（或引力场弱）的区域（注：这是惯性系条件的要求）。宏观物体作低速运动时（指运动速度远小于光速c）的时空特征的反映，它是近代时空观在这一物质层次的近似反映，具有相对真理性。近代物理学的近代时空观按照具体学科分别叙述：包括狭义相对论、广义相对论、量子理论（量子力学、量子场论）、现代宇宙学（属于广义相对论及量子理论的应用）的时空观。三、狭义相对论的时空观狭义相对论是爱因斯坦（A．Einstein．1879—1955）创立的。是在19世纪末经典物理学理论与实验发生尖锐矛盾时，爱因斯坦对经典理论进行变革产生的。首先是狭义相对论。而后又推广为广义相对论，这是一种全新的关于宏观物质的物理理论。而这种变革首先是从否定经典时空观中“同时性的绝对性”入手的。狭义相对论的适用范围是：在惯性参考系中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。又由于“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。狭义相对论理论系统的基本原理是“光速不变原理”和“狭义相对性原理”。由它们可以导出物体高速运动时两个惯性系间的时间和空间坐标变换式——洛仑兹变换。该变换式集中体现了狭义相对论的时空观。狭义相对论时空观的内容可以分为三个方面：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；时间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之间等价。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．狭义相对论的主要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。首先介绍一下洛仑兹变换（惯性系S和S＇的关系与伽利略变换时相同）。其坐标变换关系为：(1)时间、空间观念均与物质运动状态有关。①“同时性概念是相对的”。由“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于运动速度不同。所以“同时性”概念与物质运动速度有关。这一点也可以从洛仑兹变换中得出：由④式易得：对S系中两个事件若是同时的，则t2=t1。这时，即S＇系中看，两个事件不是同时的。②“时间间隔是相对的”。由洛仑兹变换④式，对同一地点x可以导出可见△t＇＞△t，即运动时钟变慢。这种现象只有在物体高速运动时才明显可以观察到。例如μ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。③“空间间隔是相对的。”由洛仑兹变换①式，对同一时刻t可以导出注意这里△x＇为静止于S＇系内的尺长。△x为S系观察者看到的同一个尺运动的尺长。由于△x＜△x＇，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=40km／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1／100mm。但当其速度大到v=0.8c时，经计算可知其长度将缩短40m。1959年，戴勒尔（J．Terrell）指出，一个高速运动物体的视觉形象并非仅由“洛仑兹收缩”效应决定。当考虑了光学效应对人眼引起的畸变之后，我们实际上只能看到物体转过一个与相对速度有关角度的形象，如图②所示。(2)时间空间彼此密切相关，“时—空”整体为物质存在的形式。这可以由狭义相对论时空的统一结构来说明。此时，时间坐标轴（ict）与空间坐标轴（x，y，z）想象地彼此垂直，构成统一的四维时空（一种数学上的空间），称为闵可夫斯基世界。由于时空结构的均匀性和平直性，所以欧几里德几何学仍成立；但由于四维时空是非真实的空间，故称为在数学上“以赝欧几里德几何学处理”。在四维时空中，物体某一运动用一段四维矢量代表，其长度为ds。四维矢量在四个坐标轴上的投影即表示时间间隔cdt和空间间隔dx，dy，dz，它们的关系是ds2=dx2+dy2+dz2-c2dt2当选择另一惯性系时（须进行洛仑兹变换），相当于整个坐标系绕原点的一个转动。显然，该转动不会改变运动的客观性，即ds为恒量。称为四维时空间隔的不变性。但四个投影均可以发生改变，它们满足ds2=dx＇2+dy＇2+dz＇2-c2dt＇2这说明即使参考系改变引起了时间、空间间隔均发生变化（体现为时空观念的相对性）。但这种改变仍由ds不变性限制而紧密相连。即物质运动本身内在地要求时间空间的紧密联系，“时—空”整体为物质存在的形式。时间、空间观念与物质本身的关系，狭义相对论未论及。原因是在物质密度小（引力场弱）区域，这种“相对性”不明显，这将在广义相对论中补充。20世纪初狭义相对论的巨大成就和量子理论的萌生对经典时空观中的形而上学观念以强大的冲击。一些物理学家和哲学家固守原有的形而上学时空观念，不能理解新的自然科学成果的重要哲学意义，反而针对狭义相对论中时间、空间观念相对于运动的可变性，认为新的科学成果反而推翻了时间空间的客观实在性；针对放射性现象及电子的发现，反而认为“物质消失了”，“唯物主义破产了”。在时空观方面，列宁针对电子的发现等物理学成果，指出：这只说明原来人们认识物质结构所达到的那个界限消失了，说明物质的具体形态和层次是可变的。这种“可变性”没有否定物质的客观实在性。恰好说明是“物质具体形态千变万化”的客观实在性。列宁进一步提出“电子也是不可穷尽”的预言。现已被近代物理学证明，电子等基本粒子均应有复杂的内部结构。列宁捍卫和发展了辩证唯物主义关于“时间、空间可以无限分割”的观点。坚持了辩证法的唯物主义。而能分割到哪一物质层次却是由当时的实验条件、水平决定的。针对相对论的“相对的时空观”，列宁指出：“人类的时空观念的可变性也没有推翻空间和时间的客观实在性”。这里，指出了物理学时空观与哲学时空观的区别。物理学时空观总会随着物质及其运动的深入研究而改变。但这种改变决不会否定哲学上的时空观：时空作为物质存在形式的客观实在性。应该指出：列宁在时空观上的辩证认识：“时空的无限分割”及“物理学时空观的可变性”，在今天仍具有重要的指导意义。为使经典力学对洛氏变换具有不变性。就必须修改牛顿定律而代之为相对论动力学。例如，考虑m与t有关，则牛顿第二定律可表为：在v<<c或v／c→0的极限情况下，自然得到经典力学F=m0a的结果；洛仑兹变换也自然过渡到伽利略变换。这样，经典理论、经典时空观均为相对论理论及其时空观在低速（v<<c）情况下的近似，由此也说明了新理论的成功。新旧理论的这种关系，在物理学方法论中称为“对应原理”。四、广义相对论的时空观及其在现代宇宙学中的表现爱因斯坦于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，广义相对论的适用范围是：非惯性参考系中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。广义相对论又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．又进一步发展了“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，提出非惯性系与引力场等效的“等效原理”假设。从而可以将非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，导致广义相对性原理的提出：一切物理规律在任意参考系间等价。这说明了物体运动规律（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中没有特殊的时空存在，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体的相互依赖关系。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。左方：Gμv引力张量。（其中Rμv黎曼曲率张量，gμv时空度规张量，R为宇宙半径。）它显示了时空结构的黎曼几何学特征。右方：Tμv物质的能量动量张量。显示了物质分布及其运动的特征。K为耦合系数（G为万有引力常数，c为真空中光速）。3．补充了时空结构与物质分布的关系。物质密度越大的区域，统一时空弯曲的曲率越大（这表现为空间越弯曲；时间流逝越慢）。所以时空的特性（间隔、弯曲程度等）不但与运动状态有关，还与物质本身分布有关。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，要用非欧几何——黎曼曲面几何学描写。时空将构成“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——组成的曲线坐标系）。时间流逝快慢与物质密度（或引力场强度）的关系，可用本征时间dτ的公式说明。式中dt与引力势ψ=0区域对应。由于ψ＜0，所以只要ψ≠0（有引力场），dτ＜dt，表明时间流逝变慢，且｜ψ｜越大（引力场越强或物质密度越大），时间流逝越慢。显然，在时空的极小区域，它将退化为欧氏几何的直角坐标系。广义相对论时空观在极限情况下可以过渡到狭义相对论以及经典的时空观。体现了新理论对旧理论的扬弃关系。还须指出，虽然时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。（二）广义相对论是关于引力的近代理论引力只有在大质量的星球间才明显起作用。所以广义相对论一开始就把宇宙做为自己的研究对象。以广义相对论为基础的现代宇宙学蓬勃地发展起来。在现代宇宙学中，物理学的时空观又有所发展。这种发展是冲击了原有的辩证唯物主义时空观，还是丰富发展了辩证唯物主义时空观？目前还存在争论。无数事实已经证明，自然科学理论越是深入发展，就越需要辩证思维，越需要反对形而上学。我们尝试以辩证唯物主义为指导去分析现代宇宙学提出的时空观问题。首先谈一下大尺度宇宙（即宇观领域）的时空观。小尺度宇宙（即微观领域）的时空观还需结合量子理论说明。广义相对论应用于大尺度宇宙，产生了许多假设。其中最有影响的是1948年由伽莫夫（美籍俄国物理学家G．Gamov．1904—1968）提出的“大爆炸宇宙模型”。由于其几个预言（宇宙背景辐射温度、宇宙的氦丰度和天体年龄等）被观测实验证实，已被大多数科学家公认为是宇宙的标准模型。我们对宇宙的分析主要以此为依据。1．宇宙空间是有限的还是无限的？1917年爱因斯坦将广义相对论的引力场方程用于分析宇宙。由于当时观测水平的局限，爱因斯坦认为宇宙处于静态（大尺度无运动）。错误地在场方程中人为地引人一个“宇宙学项”，使场方程得到了一个平衡解。宇宙半径R与时间t无关。按当时的数据计算R=35亿光年。即宇宙是“有限”的。但爱因斯坦指出，这个宇宙却是“无边”的。因为按照广义相对论，射出的光线在宇宙物质的作用下会发生弯曲，原则上它可以以弯曲路径返回，所以永远看不到宇宙的边缘。“有限”与“无边”的概念并不矛盾，以三维空间中的球面作为“二维”有限无界空间来类比易于理解。因此宇宙空间是四维时空中一个闭合的三维球空间，所以宇宙空间是有限的。（对比之下“地心说”的宇宙模型是“有限有边”的，牛顿的宇宙模型是“无限无边”的。）1922年前苏联数学家弗里德曼在不引入“宇宙学项”情况下，得到了场方程的动态解。即宇宙半径R与t有关。1927年比利时天文家勒梅特指出，动态解意味着宇宙空间将随时间均匀膨胀、收缩或振荡。1929年哈勃发现河外星系的光谱线有普遍的红移现象。如用多普勒效应解释，这正是目前宇宙处于膨胀运动的证明。勒梅特马上指出这正是他的预言。这一结论目前已得到公认。但是，虽然宇宙目前在膨胀，目前宇宙仍是“有限无边”的，按“大爆炸宇宙模型”现R可能约为150亿光年。如何将这一认识与辩证唯物主义认为“宇宙是无限的”相统一起来？这里首先应该明确：“物理学的宇宙”与“哲学上的宇宙”是否是同一概念？以确定规律（例如引力场方程）所描写的宇宙即“物理学的宇宙”，只能是“有限的宇宙”。而“哲学上的宇宙”意义最为广泛，应是“无限的宇宙”。辩证唯物主义认为宇宙物质是连续性和间断性的统一。目前看来可以将宇宙物质分为三个大的层次：无限宇宙的层次结构较为具体来说，可如图3所示。（这里的不同层次以质能集中程度、主要相互作用场性质、时空结构的明显差异等方面区分。）从“奇点”到“总星系”即为至今我们认识到的“我们的宇宙”。以广义相对论为基础的现代宇宙学所研究的宇宙最大尺度可能只到宇观物质世界——即“我们的宇宙”（且局限于现今观测宇宙学的界限）。它当然是有限的。决不能以“我们的宇宙”有限性而否认宇宙整体的无限性。美国物理学家温伯格（S·Weinberg，1979年诺贝尔奖金获得者）指出：“无论如何，我们总要承认我们简单的宇宙模型可能只描述了宇宙的一小部分，或者只描述了它的历史里的有限部分。”甚至“暴涨宇宙模型”学说认为，类似“我们的宇宙”在无限宇宙中可以有1050或103000个……。至于无数有限的“我们的宇宙”如何构成“无限宇宙”的问题，即无限宇宙如何构成一个“系综”，只能是有待于今后进一步认识的课题。2．时间有始有终，还是无始无终？“大爆炸宇宙模型”指出，宇宙起源于150亿年前的“原始火球”大爆炸。随后膨胀降温，至今仍在膨胀着。这是否总味着时间有起点？宇宙膨胀后的结局是什么？广义相对论预言，这取决于宇宙物质平均密度ρ与临界密度ρ0（约为2×10-29克／厘米3，相当每一千公升三个氢原子质量）的比较。若ρ＜ρ0，宇宙呈负弯曲空间（用罗巴切夫斯基几何学描写），会无限膨胀下去，最终成为弥漫物质而消亡；若ρ=ρ0，宇宙呈平直空间（用赝欧几里德几何学描写），也会无限膨胀下去；若ρ＞ρ0，宇宙呈正弯曲空间（用黎曼几何学描写）。宇宙膨胀到一定阶段会转化为收缩。可能凝聚为一个大“黑洞”。对于上述三种情况是否意味着运动的停止，宇宙的消亡。尤其对于ρ＞ρ0的情况是否意味着时间有终点？（已经确定，如若证明中微子具有静止质量的话，则ρ＞ρ0的结论是肯定的。即使对于ρ＜ρ0情况，物理学的“无限”变化，也并非一定意味着“我们宇宙”结局的无限性。）如果将广义相对论讨论的宇宙看为“我们的宇宙”。则广义相对论的时间有始有终是不足为奇的。辩证唯物主义认为任何物质的具体形态总是有生有灭的，其“生命”总是有限的。但这与“无限宇宙”的时间无限性不矛盾。宇宙是有限和无限的辩证统一。现在已有一些现代宇宙学理论在探讨“我们宇宙”在t＜0时（“原始火球”之前）物质收缩运动的可能性；以及t＞∝“我们的宇宙”灭亡之后，物质运动的机制（如“黑洞”的量子发射及由星际弥漫物质凝聚成新星系的假设等等；有人已观测到新星的形成……）。也有一种“振荡式宇宙模式”，认为宇宙收缩会经过“反弹”重新实现宇宙的膨胀……。无数“我们的宇宙”的生死交替，构成了无限宇宙的时间的无限性。恩格斯在批判物理学的错误理论“宇宙热寂说”时，早就根据物质及运动不灭原理和能量守恒及转化定律（尤其是能量的“质”守恒）指出，物质各种运动形式之间无限的转化能力，正是无限宇宙时间无限性的原因。并且做出预言：“放射到太空中的热一定有可能通过某种途径（指明这一途径，将是以后自然科学的课题）转变为另一种运动形式。在这种运动形式中，它能够重新集结和活动起来。”列宁指出：“日益发展的人类科学在认识自然界上的这一切里程碑都具有暂时的、相对的、近似的性质。”“我们宇宙”的物理时空观可能在“我们宇宙”诞生之前和消亡之后均不适用。可能在“渺观”“胀观”领域均不适用。但这绝不意味着时间空间作为物质存在形式的消失。物理学时空观相对性的不断变革，构成了哲学时空观的绝对性；无数相应于物质不同层次的物理时空的有限性，构成了哲学时空概念的无限性。在这里，抛弃了“经典时空无限论”中将有限时空观无穷扩展到“无限宇宙”的形而上学观点。恩格斯还指出：“无限时间内宇宙的永远重复的连续更替，不过是无限空间内无数宇宙同时并存的逻辑的补充。”现代宇宙学的某些假设与辩证唯物主义时空观是一致的。我们期待着这些假设的不断发展和实践的证明。五、量子理论的时空观及其在现代宇宙学中的表现量子理论是描述微观物质世界的物理理论的总称。量子力学是描述微观粒子运动规律的学科，是在旧量子论（1901—1913年由普朗克、爱因斯坦及玻尔等人创立）基础上，在1923—1926年间，由德布罗意、薛定谔、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（如量子场论中的量子电动力学、正在研究进行的量子色动力学、量子味动力学、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时空观主要有以下几点：1．现在时间空间观念可能存在量子化问题——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不能适用，可能面临着新的变革。1927年海森堡提出量子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时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，是微观物质本身固有的特性（微观粒子具有波粒二象性）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时空观的适用范围有个最小界限？即时间、空间间隔也存在量子化问题？海森堡首先提出了这一想法。他曾设想原子核尺度10-15米是最短的“基本长度”，但被后来的实验否定了。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，却预示着有时空量子化的存在。在“大爆炸宇宙模型”中，将广义相对论运用于宇宙起源t=0时刻，会得到宇宙起源于“奇点”的结论：即宇宙起源于半径R=0（几何点），而物质密度ρ=∝的状态。这显然是一种错误的结论。其错误的根源，是对广义相对论做了不合理的外推。正如爱因斯坦指出的：“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。总之，我们必须明白，这些方程不可扩展到这样一些区域中去。”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有的物理时空观也有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10-32秒以后是成功的。而在t＜10-32秒（渺观）情况遇到许多困难。在1980年，美国物理学家古斯（Guth）提出“暴胀宇宙模型”，考虑了物质量子化，引入量子理论，较好地解决了10-43秒～10-32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10-43秒时，现有物理时空观念均不适用。因此，目前较为公认的最短时间是tP～