时间与空间科学解释

时间与空间科学解释616宿舍奉上byJoey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：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

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，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，电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。

四维时空的物理定律比三维定律要完美的多，这说明我们的世界的确是四维的。可以说至少它比牛顿力学要完美的多。至少由它的完美性，我们不能对它妄加怀疑。综上所述爱因斯坦狭义相对论关于同时的相对性、运动的时钟变慢、运动的空间收缩和运动的质量变大这四个观点已经彻底颠覆了牛顿的绝对时空观念。广义相对论下的时空观广义相对论是爱因斯坦继狭义相对论之后，深入研究引力理论，于1913年提出的引力场的相对论理论。这一理论完全不同于牛顿的引力论，它把引力场归结为物体周围的时空弯曲，把物体受引力作用而运动，归结为物体在弯曲时空中沿短程线的自由运动。因此，广义相对论亦称时空几何动力学，即把引力归结为时空的几何特性。按照广义相对论，在局部惯性系内，不存在引力，一维时间和三维空间组成四维平坦的欧几里得空间；在任意参考系内，存在引力，引力引起时空弯曲，因而时空是四维弯曲的非欧黎曼空间。

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，爱因斯坦的广义相对论是不存在“引力”的引力理论。空间弯曲的解释

先让我们这样想象：在一艘宇宙飞船里，有人在仔细观察附近的一颗行星。这颗行星的表面完全被深深的海洋覆盖着，因此有着象台球那样的光滑表面。再假设有一条船在那个行星的海洋上沿赤道线朝正东方向行驶着。现在再进一步设想一下，这位观察者根本看不见这颗行星，而只能看到这条船。当他研究这条船的运动路线时，他会惊讶地发现这条船走的是一条圆弧。它最后会回到自己的出发点，从而描绘出一个完整的圆周。

假设得出的结论如果这条船改变路线，航道就会变得弯弯折折的，不再是个简单的圆周。但是，不管它怎么改道，无论它怎么行进，它的航线总是在一个球面上。根据所有这些事实，这位观察者可能会推断出，这条船被束缚在一个看不见的球体的表面上，而束缚它的力正是指向球体中心的重力。要不，他就可能会认为，这条船被限制在一块特殊的空间里面。这块空间是弯曲的，而且弯曲成一个球形，从而迫使这条船走出这样的路线来。换句话说，我们必须在一个力和一种空间几何形态之间作出选择。你大概会认为这是一种想象出来的局面，但实际上并非如此。地球这颗行星是沿着椭圆路线绕着太阳运行的，正象一条船在某个看不见的曲面上行驶一样。至于这条椭圆路线，我们是假设太阳和地球之间有一种引力来解释的，正是这种引力使地球保持在它的轨道上。

不过，我们也可以从空间几何形态来考虑问题。我们不是通过观察空间本身——空间是看不见的——而是通过考察物体在这种空间里的运动方式，来确定这种空间的几何形态。如果空间是“平坦的”，各种物体就会走直线从这个空间中通过，如果空间是“弯曲的”，各种物体就会走出弯曲的路线来。

一个具有确定质量和速度的物体，如果在离开其他质量都很远的地方运动，那么，它的路径真的可以说是一条直线。而当它走近另一个质量的时候，它的路径就会变得越来越弯曲，显然，是质量把空间弯曲了。质量越大，离质量越近，空间弯曲的曲率就越大。把万有引力看作是一个力，看来要比用空间几何形态去解释它方便得多，也自然得多。但是，如果在考虑光的行进时，情形就会颠倒过来。按照比较旧的观点，光是不受重力影响的，因为它没有质量。然而，当光在弯曲空间里穿过时，它的路径也会弯曲起来。把光的速度考虑进来，它在太阳这个巨大质量的附近经过时路径的弯曲就能计算出来了。一句话总结相对论下时空观

狭义相对论认为空间和时间随物质运动而变化，质量随运动而变化，质量和能量的相互转化。 广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，提出物质存在于时空，决定了时空如何弯曲,而时空的弯曲决定了其中的物质如何运动。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？？超弦理论：完美的骗子？？

弦论的一个基本观点是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是很小很小的线状的“弦”（包括有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”或闭合弦）。弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。弦论中的弦尺度非常小，但操控它们性质的基本原理预言，存在着几种尺度较大的薄膜状物体，后者被简称为“膜”。直观的说，我们所处的宇宙空间可能是9+1维时空中的D3膜。弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论。

弦理论家们普遍相信标准模型中的基本粒子实际上都是一些小而又小的振动的弦的闭合圈(称为闭合弦或闭弦)，所有粒子都可由闭弦的不同振动和运动得到。弦并不是在平常的三维空间运动，而是在我们无法想象的高维空间运动。从本质上讲，所有的粒子都是质地相同的弦的不同的振动，它们实际上是在相同的弦上弹奏着不同的“音调”。弦理论也统一了四种基本力：开弦的端点为带荷的粒子，弦的振动描述了它们之间传递的力，引力是闭弦的振动。

相对论在时空观方面有二大变革：一是把时间当作一维特殊的空间，从而扩大了空间的维数；二是将引力几何化了。弦理论沿着相对论形式上变革的思路，进一步扩大了空间的维数：弦理论的数学方程要求空间是9维的，再加上时间维度，总共是10维时空。

然而，在人们的感觉中，空间总是三维的。对此，弦理论认为，高维空间的存在是合理的，可以举一个水管的例子来说明：水管的表面是二维的，但是当我们从远处看它时，它却像是一维的直线。这是为什么呢？原来，水管的那两维很不一样，沿着管子伸展方向的一维很长，容易看到；而绕着管子的那一个圆圈维很短，“卷缩起来了”，不容易发现。你必须走近水管，才能看清绕着圆圈的那一维。

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