时空间管理全面概述

空间、时间是什么？别人在很小的时候就已经搞清楚了，而我的智力发育迟，长大了也未搞清楚，于是，我一直揣摩这个问题。结果就比别人钻得深一些。

——爱因斯坦第二章第二节时空观MAKESIZHUYIZHEXUEYUANLIDIERZHANGDIERJIESHIKONGGUAN

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时间和空间是物质的存在形式。时间是其持续性、前后相继的顺序性；空间是其广延性、伸张性和与它事物的距离等。（一）

时间、空间概念

二时空观及其革命时空概念（二章二节）

2空间的特点是它的三维性

指的是任何现实的存在都只能在三个方向上体现自己的广延、伸张和与它事物的距离。3时间的唯一特性是它的一维性时间只有一个方向。这是由于物质运动不可能完全等同地重复。因而又称“不可逆性”或“一去不复返性”。时空概念

4时间空间与物质运动不可分割面对一个小孩子，你能把他的年龄、形体从他身上“剥离”下来吗？要理解一个具体事物有自己的时空性质并不难。困难在于理解没有绝对独立的时、空。即没有什么事情发生而“白白流逝”的时间和没有事物的“空框子”。这方面的论证我们放在稍后再讨论。时空概念5客观性对时、空的客观性的理解和对运动客观性的理解一样即：时间、空间并非“独立实在”的客体，它们的客观性是作为物质的存在形式而被物质所赋予的。时空概念

6有限性与无限性可表述为：具体事物、现象有开端和结束、有形状和边沿，因而是有限的。而作为物质存在形式的时间和空间是无限的，无始无终，无边无际。时空概念如果时间有开端和结束，那么，开端以前是什么？结束以后是什么？如果空间有边际，那么。边际之外是什么？时空概念因此，现实的时间和空间，只能是无限的。只能是：彼岸世界、上帝。可用反证法来证明：（二）时空观的历史发展

可以这样表述：时空观是人们对于时间、空间的看法或观点的总称。包括：对时空的认识（科学的或经验的）、理解（理智的或直观的）和期望。1时空观时空观时空观是最通俗、最经常的日常观念之一。时空观在日常生活中，人们的这种观念已表现为各种稀松平常的“生活习惯”。1

当我们说：“这个鸡蛋真大”、“这个西瓜太小”时，决不会真的以为鸡蛋会比西瓜大。

早晨，特别是严寒冬天，起床号吹响：“今夜怎么这么短，我才刚刚睡下”。时空观第四节课，肚肚子饿了：““这节课怎么么这么长”。。一一位位60岁的老老人感叹道：：“三十八年年过去，弹指指一挥间”；；而如果对一一位八岁的孩孩子说：“你你都这么大了了，只差十几几年就要结婚婚了。”他能能理解吗？时空观都知道刷一次次牙可能要用用几分钟而决决不会一上午午，吃一顿饭饭可能吃几小小时决不会一一个礼拜；电电影、、电视中的““好人”被押押上刑场，刽刽子手已举起起屠刀即将砍砍下的一刹那那，一定会有有一个暗器正正好打在举起起屠刀的那只只手上；日本本鬼子对群众众架起机枪，，就要扣动扳扳机的一瞬间间：一定要要有一个声音音响起：“住住手，我就是是你们要找的的八路军”。。时空观一定的时空观观是人们理解解世界的“框框架”，体现现了他的胸襟襟和眼界。都知道：“站站得高才能看看得远”，生生活的狭窄造造成胸襟的狭狭隘。“井底底之蛙”这口口井便是它的的全部世界。。春春生夏死的蝉蝉不明白冬天天，朝生暮死死的蜉蝣不理理解黑夜。古古人说：“曾曾经沧海难为为水”。时空观2相传有一个人人跟邻居争执执一尺房基地地，老母亲写写一封信给城城里当宰相的的儿子，希望望他来“压””一下邻居。。时空观儿子回信却说说：“让他三三尺又何妨？？”一定的时空观观是人们暴露露和表达自己己心灵的“窗窗口”。有的人，生活活在理想的未未来，现实总总使他牢骚满满腹。有的人，向后后看，生活在在旧日的辉煌煌和陈芝麻烂烂谷子的恩怨怨之中；有的人，只生生活在脚下一一滩烂泥之中中。时空观3历史学家的眼眼光在纵览千千年上下，天天文学家的眼眼界以光年计计；政客的眼眼光盯着自己己上方的权力力的宝座；庸庸人的眼光只只在自己的鼻鼻尖。时空观在我们的先祖祖那里，时、、空与实际事事物紧密联系系。例如：“二指宽”、、“五十步””、“头发丝丝那么细”、、“一顿饭饭功夫”、““一眨眼间””、“下次月月园”、“树树叶又黄了三三次”、“燕燕子飞来”。。鲁迅先生写小小说《采薇》》时，用：““大约烙几张张饼的功夫””来描述时时间。时空观/古代2古代朴素的时时空观我国先哲，猜猜测到了时空空的无限。“天地四方为为宇，古往今今来为宙”。。“一尺之锤，，日取其半，，乃世不竭。。”“有始始也者者，有有未始始有始始也者者，有有未始始有夫夫未始始也者者，有有有也也者，，有无无也者者，有有未始始有无无也者者，有有未始始有夫夫未始始有无无也者者---””（庄庄子··齐齐物物论））时空观/古代随着人人们相相互交交往的的经常常和扩扩展，，需要要一些些共同同的““标准准”，，于是是，人人们约约定了了一些些测度度时间间和空空间的的“尺尺度””和““标准准”，，如：：两两手伸伸开———一一码，，两两手对对起来来———一呎呎““一箭箭之地地”，，“一一炷香香功夫夫”，，太阳阳当顶顶是““午时时”，，昼夜夜相交交之中中是““子时时”，，一个个月按按月亮亮的盈盈亏分分为““晦””、““望””若干干日等等等。。时空观/古代以后，，标准准日愈愈完善善和准准确，，渐渐渐取代代了事事物本本身的的地位位，就就好像像一个个人的的影子子取代代了主主人的的地位位，人人倒成成了影影子的的附属属一样样。时空观/历史3近代形形而上上学绝绝对时时空观观我们现现在生生活在在一个个高度度标准准化的的时代，标标准化化已成成为我我们生生活中中的习习惯，，熟悉到忘忘记的的程度度。全球分分为24个个时区区，人人们在在可以以用相相互简简单换换算的的“东东京””、““格林林威治治”、、““纽约约”、、“北北京””时间间来旅旅行、、通讯讯、生生产、、作息息-----时空观/近代中国生生产的的车箱箱，日日本生生产的的铁轨轨，欧欧洲生生产的的车头头，由由美国国人在在非洲洲组装装，火火车就就能飞飞驶。。买买来遥遥远美美洲生生产的的电器器，不不用耽耽心插插不上上家里里的插插座。。市市场上上到处处充斥斥着““进口口零件件，国国内组组装””的产产品。。如如果有有朋友友自洛洛杉矶矶飞来来，查查询班班机时时刻表表，就就能准准时去去机场场接机机。时空观/近代时间象象一个个均匀匀流逝逝的““带子子”，，与事事件过过程本本身性性质无无关，，各种种事物物和过过程，，只不不过在在这““带子子”上上打下下“印印记””而已已。空空间好好比一一个““箱子子”。。放进进东西西或取取走东东西，，箱子子依然然存在在。先先祖们们的朴朴素时时空观观完全全被抛抛弃了了，时间、、空间间与事事物及及过程程完全全割裂裂。这就是是“绝对对时空空观””，又又称““牛顿顿时空空观””。这样，，人们们逐渐渐形成成了这这样的的时空空观：：时空观/近代牛顿时时空观观在理理解和和处理理日常常生活活是没没有疑疑义的的。在在解决决地地地球上上我们们通常常认为为的““科学学”的的和““技术术”的的问题题时，，有广广泛的的普适适性，，而且且已经经很精精确。。但是是，用用来说说明整整个世世界的的根本本问题题却行行不通通。就就如高高速飞飞行的的飞机机里，，机舱舱壁上上围着着一块块污迹迹爬行行的苍苍蝇用用它的的经验验来解解释飞飞机的的运动动一样样。时空观/近代要解除除绝对对时空空观的的思想想禁锢锢需要要科学学材料料。在在马克克思的的时代代，虽虽然提提出了了辩证证时空空观的的原理理，但但尚找找不到到科学学依据据，因因为那那时候候科学学的眼眼界还还停留留在地地球上上寻常常事物物中。。哲学学作好好准备备，耐耐心地地等待待着科科学的的发展展。时空观/近代（三））爱爱因斯斯坦相相对论论和时时空观观念革革命科学事事实终终于出出现了了。即即本世世纪初初的爱爱因斯斯坦相相对论论。这这是一一场震震撼人人心的的科学学革命命事件件，引引起了了一场场深刻刻而彻彻底的的观念念革命命。【1】狭义相相对论论（1905年））1905年年6月月发表表在德德国《《物理理学杂杂志》》上的的一篇篇论文文《论动动体的的电动动力学学》。文章章只有有几页页，既既没有有文献献引证证，又又没有有权威威著作作的援援引，，一开开始便便单刀刀直入入地提提出绝绝对静静止是是不可可能成成立的的。接接着，，提出出光速速不变变公设设，论论证““同时时性””没有有意义义，和和他著著名的的变换换方程程。这这就是是后人人所称称“狭狭义相相对论论”。。同年年9月月，发发表《物体体惯性性同它它所含含的能能量有有关吗吗》一文。。只有有三页页，文文中推推导出出著名名的质质能相相关式式E=mc2.。物体体的质质量是是能量量的量量度，，轻而而易举举地开开辟了了新的的能源源———原子子能。。当年年爱因因斯坦坦26岁。。是瑞瑞士小小城伯伯尔尼尼专利利局的的一个个小职职员。。狭义相对论据说，，爱因因斯坦坦还是是一个个十四四岁岁的中中学生生时，，一次次突然然想象象，如如果自自己乘乘坐一一列火火车追追着一一束光光前进进，会会看到到什么么？答案是是：会会看到到光不不再是是一束束“光光线””，而而是原原地振振动的的点。。这就就是著著名的的“追光光详谬谬”。狭义相对论“追光光详谬谬”其其实是是一种种参照系系的变换。。静止止参照照系变变为运运动参参照系系，观观测者者“参参与””运运动之之中。。可以拿生生活中常常见的事事打比方方。如果果我们站站在铁轨轨旁，看看到火车车有如一一条线从从眼前开开过。而而如果我我们坐在在火车里里，就只只感到颠颠簸和摇摇晃。我我们生活活在地球球上，不不感到它它在运动动，而如如果在月月球上看看，会看看到地球球在飞快快旋转（（1100m/秒）。。如果站站在太阳阳上看，，会看到到地球在在飞快地地奔驰（（3000m/秒）。。狭义相对论我们过去去熟知的的非常权权威的测测量标准和方法法，实际际上只适适用于地地球上大大物体的的低速运运动。但但我们却却以为这这就是一一切运动动的规则则。狭义相对论tˊ＝β(t±v/c2x),βˊ＝β(x－vt)x,yˊ＝y,zˊ＝z.（缩小因子）β＝1/√1-(v/c)2下面，我我们将爱因因斯坦的计算公公式简化，简单单计算一一下：而当v相相当大，，大到接接近于光光速c时时：这就是“尺缩效应应”和“钟慢效效应”。当然，，这种效效应仅相相对静止止参照系系而言，，在运动动中，时时间和空空间的感感觉依然然如常。。VtT（小时）I0（m）L(m)0.9c1小时2.29410.4360.98c1小时5.02510.1990.99c1小时7.0910.141狭义相对论这种效应应当然引引起了人人们的无无穷想象：如如果有一一对双胞胞胎兄弟弟，在他他们20岁那年年，其中中一个兄兄弟乘坐坐速度为为0.99c的火箭箭遨游太太空，而而另一位位兄弟留留在地球球上，一一年以后后，那位位21岁岁的太空空游子返返回地球球，会发发现自己己的同龄龄兄弟已已是74岁的老老翁了。。这就是是人称““双胞胎详详谬”的想象象。狭义相对论狭义相对对论的观观念革革命意义义在于：：⑴将时时、空的的测量标标准和方方式与实实际事物物的时、、空性质质区分开开来。打破了过过去以为为测量就就是时空空本身的的误解，，“影子子就是影影子”，，“地图图绝不是是领土””。狭义相对论⑵打破了绝绝对时空空观对人人们长达达数百年年的统治治，为辩证时时空观提提供了科科学依据据。⑶使牛牛顿的理理论成为为非常有有限范围围内的特特殊理论论，打破了长长期以来来对人们们思想的的禁锢。。狭义相对论【2】广广义相对对论（1915）狭义相对对论完成成后，爱爱因斯坦坦基于把把相对性性原理贯贯彻到底底的信念念和哲学学认识论论的原则则，又向向广义相相对论进进军。经经过10年的的探索，，在狭义义相对论论的基础础上，加加上引力力场作用用，1915年年11月月，爱因因斯坦完完成了他他的论文文《广义义相对论论的基础础》，同同时，解解决了长长期困扰扰物理学学界的勒勒维烈水水星近日日点运动动。广义相对论从此图开开始以下下三张背背景为现现代数学学“混沌沌学”的的计算机机绘制图图形在《广义义相对论论》一文文中，爱爱因斯坦坦的思想想已炉火火纯青，，理论范范围极大大，概念念十分清清晰，对对所有参参照系都都适用。。经典的的守恒定定律失去去了原有有的意义义，仅仅仅成了一一些恒等等式，过过去曾权权威的引引力对物物体运动动的影响响失去了了意义。。时空与与物质密密切相关关，是运运动着的的物质存存在的方方式。“空间、、时间未未必能被被看作是是一种可可以离开开物理实实在的实实际客体体而独立立存在的的东西。。物理客客体不是是在空间间之中，，而是这这些客体体有着空空间的广广延。””彻底地否否定了牛牛顿的绝绝对时空空观。广义相对论广义相对对论因很很快得到到科学的的证实而而引起轰轰动，爱爱因斯坦坦提出的的若干假假说令人人瞠目结结舌。数数十年来来，它们们一一被被科学观观测所证证实。至至今天，，还未发发现一例例与之不不相符的的观测。。现列如如下：广义相对论1）红移移现象假假说爱因斯坦坦预言：：由于引力力场的作作用，大大质量星星球的光光谱线会会移向光光谱红端端，即光光的引力力频移。。1924年，亚亚当斯（（W•Adams）对对天狼星星伴星的的观察，，1923年——1928年五五年中持持续不断断地对太太阳表面面Fe、、Ti、Cu光谱谱观测，，与预言言相符。。1958年穆穆斯保尔尔（R••L••MossBauer））效应发发现后，，实验室室中利用用γ射线线实验也也与预言言相符。。广义相对论2）恒星星位置假假说爱因斯坦坦预言，由于引引力作用用，光线线实际上上是弯曲曲的，因因此，我我们平时时观测到到的恒星星位置是是有误差差的。大大约在1.74″。。为了证实实这一预预言，德德国曾在在1914年组组织考察察队前往往俄国克克里木半半岛，准准备在全全日食情情况下进进行观测测。恰逢逢第一次次世界大大战爆发发，考察察队人员员全部被被俄国作作为战俘俘扣留，，至使这这次观测测未能进进行。广义相对论1919年，英英国皇家家学会组组织了两两支科科学考察察队，一一支前往往西非北北部的索索布拉尔尔，一支支前往西西非几内内亚湾的的普林西西比岛后后一支考考察队由由著名天天文学家家爱丁顿顿（ArthurStanleyEddington1882-1944）率率领。普普林西比比的结果果是1.61±±0.30''，索布布拉尔的的结果是是1.98±0.12'',在误误差允许许范围内内与预言言1.74''相符符合。以以后，在在1954、1957年的考考察与预预言完全全符合。。广义相对论3）地球球引力场场强度假假说根据广义义相对论论计算，，地球的引引力场强强度是不不均匀的的，近中中心者强强度大，，随距离离拉开逐逐渐减弱弱，这种种强度差差异，会会使得时时钟快慢慢发生差差异。依据这个个计算，，1960年，，庞德和和雷布卡卡作了一一个实验验，在距距海平面面22.6m的的塔顶和和塔底各各置一钠钠钟，测测出其快快慢差为为2.5×10-15秒，与预预言完全全符合。。广义相对论4）引力力波假说说1974-1978五五年间对对PSR1913+16双星星观测，，该双星星质量大大，体积积小，密密度极大大，轨道道周期仅仅8小时时。其中中之一为为脉冲星星，脉冲冲星周期期59毫毫秒，每每周期减减少万亿亿分之三三（3××10-13），近五五年上亿亿次观测测记载，，参数精精度达百百亿分之之一（10-11）观测结结果与预预言完全全相符。。广义相对论5）黑洞洞假说广义相对论广义相对对论开始始并不为为大多数数人所理理解。相传一次次皇家学学会的聚聚会上，，人们都都说，世世界上只只有三个个人懂广广义相对对论。除除了爱因因斯坦，，他的老老师闵可可夫斯基基，人们们认为第第三个人人当然是是爱丁顿顿了。可可是，爱爱丁顿却却说：““我也在在想，这这第三个个人是谁谁？”广义相对论学者们大大多不懂懂广义相相对论，，主要原原因是爱因因斯坦使使用了当当时鲜为为人知的的黎曼几何何，张量量计算，，绝对微微分等数学方方法，使用克里里斯多夫夫符号，，闵可夫夫斯基（（HermammMinkowski1864-1909）四维维时空统统。从而，爱爱因斯坦坦促进了了一门新新的学科科——非欧几何何学的发展。。非欧几何现在，人人们都知知道非欧欧几何与与爱因斯斯坦的关关系。其其实，在在爱因斯斯坦以前前，非欧欧几何就就悄悄地地产生了了，只是是由于派派不上什什么用场场，一直直停留在在“纯数数学”领领域而鲜鲜为人知知。似乎乎数学家家们默默默地为在在为广义义相对论论准备数数学工具具。非欧几何广义相对对论发表表后，爱爱因斯坦坦又在非非欧几何何学方面面做出了了杰出的的贡献，，作为非非欧几何何创始人人之一被被载入史史册。非欧几何【3】非非欧几何何简介非欧几何何最开始始是几位位数学家家分别独独自研究究的几种种几何学学，他们们是：高斯（1778-1855）），N·T·洛洛巴切夫夫斯基（（1793-1856），黎曼（1828-1866））等。最早以完完整形式式发表在在1833年。。（高斯斯）非欧几何非欧几何何实际应应称为““微分几几何”或或“非正正则几何何”。因因为其与与传统的的欧几里里德几何何学不同同而被俗俗称为““非欧几几何”。。在我们们熟知的的欧氏几几何中的的基本概概念如：：点、线线、面，，在非欧欧几何中中没有这这种概念念，相当当于这些些概念的的是“未未下定义义的物质质形体””。如黎黎曼几何何中的““流形””。其中中，既有有物质的的广延，，又包含含时间。。非欧几何黎曼流形形欧氏几何何中极重重要的““对称性性”、““全等性性”、““不变的的角”非非欧几何何中没有有这样的的概念，，相当的的是“局局部曲率率”性质质，即““非正则则”性质质。非欧几何在计算上上，主要要是微分分、拓朴朴，甚至至“绝对对微分法法”即没没有固定定坐标的的微分系系统。非非欧几何何门类很很多，这这里简单单介绍两两种，即即洛巴切切夫斯基基几何和和黎曼几几何。非欧几何洛氏几何何又被称称为“宇宇宙几何何”。因因为它描描述的是是大尺度度空间，，又称为为“内蕴蕴几何””。其最最大特点点是“保保形性””。非欧几何t非欧几何L2洛氏平面面示意图图在黎曼几几何中，，任何一一个“黎黎曼流形形”都是是一个““张量场场”，其其中任何何一点都都具有四四个方向向上的性性质，这这是一种种“局部部坐标””性质的的几何，，只能用用无统一一坐标的的“绝对对微分法法”计算算，因这这一性质质，又被被称为““无坐标标几何””或“无无定则几几何”。。非欧几何自爱因斯斯坦后，，这些数数学形式式已有了了广泛运运用，例例如我们们现在说说的什么么“宇宙宙爆炸””、“宇宇宙收缩缩”、““黑洞””、“脉脉冲星””、“白白矮星””等，都都是使用用这两种种数学方方法和爱爱因斯坦坦公式计计算的结结果。非欧几何非欧几何非欧几何何学把形形而上学学时空观观打得落落花流水水，闵可可夫斯基基1907年在在哥根延延数学学学会上的的报告说说：“从从现在起起，孤立立的空间间和孤立立的时间间注定要要消失为为影子，，只有两两者的统统一才能能保持独独立存在在。”时时间、、空间只只能是物物质的性性质和形形式，离离开是什什么物质质和物质质的实际际状况，，时间、、空间没没有意义义。在在非非欧几何何里，时时空不可可分割。。时空与与物质不不可分割割是基本本的原则则。非欧几何爱因斯坦坦相对论论发表后后，特别别是二十十世纪六六十年代代以来，，不仅实实验验证证如雨后后春笋，，而且，，也成为为相对论论天体物物理学、、高能天天体物理理学和宇宇宙学的的理论基基础。类类星体、、脉冲星星、致密密x射线线源、3K宇宙宙、微波波背景辐辐射、黑黑洞、引引力波等等等的发发现和探探测，宇宇宙大爆爆炸理论论和各种种宇宙模模型纷纷纷出现。。而且，，现在仍仍在发展展。相对论【4】相相对性——一一种现代代观念爱因斯坦坦的相对对论出现现后，影影响远远远超出了了物理学学的范畴畴，引起起了一场场深刻的的观念革革命，这这就是相相对性观观念。相对性关于相对对性，爱爱因斯坦坦曾幽默默的比方方：当你你坐在一一个可爱爱的女孩孩子身边边时，一一小时像像一分钟钟那么短短；而当当你坐在在火炉上上时，一一分钟就就像一小小时那么么长。相对性世界本身身是丰