時空觀的歷史演變

李 頌

(南通大學(xué)理學(xué)院 江蘇 南通226019)

摘 要：論述了從文明誕生初期到古希臘時代的“地球中心說”、17世紀(jì)牛頓經(jīng)典力學(xué)的建立，以及愛因斯坦相對論的創(chuàng)建，每次新理論的出臺都經(jīng)歷一次時空與運動觀念的革命與演變，都是一次物理理論的升華.

關(guān)鍵詞：時間空間協(xié)變絕對時空觀相對時空觀

作者簡介：李頌(1963-)，男，副教授，主要從事大學(xué)物理與物理學(xué)史教學(xué).

收稿日期：(2014-12-10)

1引言

在研究物質(zhì)相互作用以及運動規(guī)律時，必須有一個基本討論前提，那就是物質(zhì)與時間、 空間的關(guān)系，這個前提就是我們通常所說的時空觀.20世紀(jì)初相對論建立后，其時空理論展現(xiàn)給我們一個全新的、動態(tài)的、超凡的宇宙圖景，使我們對自然的認(rèn)識進(jìn)入了新的階段.就相對論時空觀而言，要正確認(rèn)識它，就不得不從時空觀發(fā)展的全過程來梳理和把握，從歷史來看，時空觀的演變和物理學(xué)的發(fā)展息息相關(guān)，一個舊理論所出現(xiàn)的危機，往往表現(xiàn)在與它相應(yīng)時空觀的困難上.物理學(xué)的重大變革與進(jìn)展，又往往伴隨著新時空觀的誕生，從亞里士多德到牛頓，再到愛因斯坦的幾次重大進(jìn)展，無不證明了這一點.

2文明誕生初期時空觀的形成

從文獻(xiàn)資料看，古巴比倫(現(xiàn)伊拉克)、古埃及、古代中國、古印度，這四大文明古國對于時間和空間的最初認(rèn)識都十分接近，這一認(rèn)識實際上就是文明誕生初期所形成的時空觀.

這4個文明古國分別確定一年時間是365天距今都在3 000年以上甚至更早，最早可追溯到距今大約6 000年以上(古埃及).

對空間的描述，例如：古巴比倫人以為宇宙是一個密封的箱子或小室，大地是它的底板.底板中央矗立著冰雪覆蓋的區(qū)域，幼發(fā)拉底河就發(fā)源于這些區(qū)域中間.大地四周有水環(huán)繞，水之外復(fù)有天山，以支撐蔚藍(lán)色的天穹[1].古埃及人心目中的宇宙大體上和古巴比倫人心目中的宇宙一樣.他們以為宇宙是一個方盒，南北的長度較長，底面略呈凹形，古埃及就處在凹形的中心.天是一塊平坦的或穹隆形的天花板，四方有4個天柱，即山峰所支撐…….古代中國在殷周時期以前就有了蓋天說,“天圓如張蓋，地方如棋局”，不久就被“天似蓋笠，地法覆盤，天地各中高外下.北極之下，為天地之中，其地最高，而滂沲四隤，三光隱映，以為晝夜”所替代.古印度在吠陀時代就認(rèn)為須彌山(神話傳說中的寶山)為天地的正中央，日月環(huán)繞須彌山運動而不入地下，日繞行一周為一晝夜.在一個相當(dāng)長的時期內(nèi)，佛教在古印度傳播很廣，佛經(jīng)中表述的傳統(tǒng)宇宙觀念，與中國古代的蓋天說較為接近.

不難看出以上古代文明有關(guān)時間和空間的最初認(rèn)識，都是很樸素的生活經(jīng)驗的積累和簡單總結(jié).都認(rèn)為，時間的流逝是均勻的，發(fā)展方向總是從過去流向未來，不能倒流，是不可逆的，具有單向性，就是說時間是絕對的.空間分前后左右上下，前后左右是相對的，上下是絕對的，并且是平直的、立體的、均勻分布的.

3時空觀的第一次演變

古人的這種平直、立體、均勻的時空觀點，對日出日落、月出月落、日食月食等自然現(xiàn)象的解釋，非常不盡如人意.從公元前8世紀(jì)到公元4世紀(jì)，在地中海沿岸，誕生了光芒四射的古希臘文明，史稱“古希臘時期”.這個時期，柏拉圖、亞里士多德等學(xué)者最早認(rèn)為宇宙是有限的球體, 圓形的地球靜止地居于中心，日、月、星辰都圍繞著地球運轉(zhuǎn)；月亮、太陽、行星和恒星分別處在不同的球殼上，它們都做完美的圓周運動，這就是“地球中心說”.后來經(jīng)托勒密進(jìn)一步完善，提出了天體運動的均輪-本輪模型；列舉了證明這種體系的所有觀測事實；列出了推算日月食、預(yù)報行星未來位置的方法等，形成了統(tǒng)一的宇宙體系“托勒密體系”.

在這個體系中, 人類生活的大地不是平板式的, 而是圓球形的，在球體的一邊認(rèn)為是朝上的方向, 而在球體的另一邊則被看作是向下的方向了，反過來也一樣.這樣，整個空間前后左右上下就全都變成了相對的，就是說，空間的各個方向是等價的, 沒有哪一個方向具有特別的優(yōu)越性, 這就是空間方向的相對性.因此，將人類生活的空間從地面變成一個沒有嚴(yán)格上下方向的球面，并且明顯與直接經(jīng)驗相違背，這在常人看來是難以想象的，而2 000多年前人們敢于沖破古人對平面空間的認(rèn)識，洞察經(jīng)驗的局限性，主張地球是一個球形, 從而給宇宙一個統(tǒng)一的解釋，是件非常了不起的事情.空間方向由絕對到相對，是人類對時空的認(rèn)識向科學(xué)時空觀邁出的重要一步，也是時空觀的第一次革命.

在亞里士多德地球中心說中, 有關(guān)物質(zhì)運動的理論基本上是一個定性的理論，物質(zhì)由火、氣、水、土4種基本元素組成，在空間的分布也是由輕到重按順序排列(最上邊是火，最下邊是土)，物體之所以運動是因為它們要回到自己的天然位置.每個物體在運動中只要沒有受到阻擋, 都力圖達(dá)到各自的天然位置.地球附近的物體其天然位置是地球的球心，這便是落體運動的真正原因.這樣，在托勒密體系中，地球球心的位置就非常特殊，在支配萬物運動的自然規(guī)律中，這個點具有決定性的作用.就是說，空間雖然具有各向同性的性質(zhì), 但空間各點的位置并不等價，物體在宇宙中的位置決定它的運動性質(zhì)，這就是空間點的絕對性.

該理論認(rèn)為時間是過程流逝的伴隨物，一切過程的時間測量與運動無關(guān)，也與空間的位置無關(guān), 時間在均勻流逝，它具有單向性，所以是絕對的.空間不同于物體，空間可以與它包圍的運動物體分離開來，但運動的物體不能脫離開空間，也不能脫離開時間，不存在虛空，空間是有限的[2].關(guān)于時空與運動的關(guān)系，亞里士多德認(rèn)為，時間沒有起點，也沒有終點，時間在均勻地流逝，時間是無限的.

我們可以看出，這一理論的建立，是依據(jù)大量的觀測結(jié)果以及一定的邏輯思維和邏輯推理才得以實現(xiàn)，已經(jīng)超出了人們的生活經(jīng)驗和常規(guī)判斷，上升到了具有理性成份的科學(xué)層面，為近代科學(xué)的誕生做了前期的理論探索.

4時空觀的第二次演變

到了16世紀(jì)，隨著觀測數(shù)據(jù)的極大豐富，托勒密體系解釋天體的運動變得異常繁瑣和復(fù)雜.波蘭牧師哥白尼集中精力進(jìn)行天文學(xué)研究，經(jīng)過20年的觀測、計算，大約在1525年左右完成了他日心說的論著《天體運行論》，并于1543年5月24日正式出版.相比托勒密體系，“日心說”更加簡單而容易地解釋了從地面上觀察到的天體的周日旋轉(zhuǎn)、太陽和月亮運動的快慢變化、五大星系運動中的逆行等復(fù)雜現(xiàn)象，因此，該體系震動了“地心說”的根基.

1687年牛頓的經(jīng)典著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書出版，標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)理論的建立和新時空觀的確立.牛頓所定義的時間和空間是一種與物質(zhì)和運動沒有關(guān)系的存在，而且是相互獨立的各自存在.他們本身是沒有變化的，我們可以借助它們來衡量或描述運動和變化.所以，經(jīng)典力學(xué)中的時間和空間是一種絕對存在，一種永恒的存在.我們稱其為經(jīng)典(絕對)時空觀[3].

相比亞里士多德的時空觀，經(jīng)典時空觀首先否定了地球中心的特殊地位，認(rèn)為任何空間點都是平權(quán)的，不存在特殊的空間點，地球的球心同其他任何一個星球的球心一樣，在空間不斷地變動著；同時也否定了亞里士多德的空間有限觀點，提出了空間無限的觀點.這是時空觀念的又一大進(jìn)步，是時空觀的第二次革命.

由于經(jīng)典力學(xué)的巨大成功，同時也加強了絕對時空觀在學(xué)術(shù)界的統(tǒng)治地位，并且結(jié)論與日常生活一致，使得人們對經(jīng)典時空的理論深信不疑.經(jīng)典力學(xué)中時間與空間是分立的，相互沒有聯(lián)系，時間是絕對的，加速度也是絕對的；因此絕對運動是存在的，絕對空間也是存在的.

所以，經(jīng)典時空觀認(rèn)為，時間在均勻地流逝，是絕對的，無限的；空間具有各向同性的性質(zhì)，并且是絕對的，無限的.但遺憾的是，它否定了時空和物質(zhì)、運動之間的聯(lián)系，這一點實際上是一種倒退.

5時空觀的第三次演變

隨著經(jīng)典力學(xué)知識的不斷普及和認(rèn)識的深入，人們發(fā)現(xiàn)經(jīng)典力學(xué)的理論本身存在缺陷，如兩個星球之間的萬有引力，雖然相隔遙遠(yuǎn)，卻有著巨大作用，并且這種作用有瞬時傳遞的效果，這種解釋非常模糊，使人感到很神秘；還有，對無限宇宙的解釋，也出現(xiàn)自相矛盾的結(jié)論，就無限遠(yuǎn)而無邊界的宇宙而言，勢必產(chǎn)生使引力作用變得無窮大的困難；另外，經(jīng)典時空觀也被發(fā)現(xiàn)存在不合理性，由于光線的傳播速度是有限的，所以物體發(fā)光到你看見光需要一定的時間，你所看到的某一現(xiàn)象，可能是幾年、幾十年甚至幾百年、幾千年以前的事件，這就是說同一個事件在不同的地方看，時間是不同的，“同時”這個概念出了問題，也就是說“絕對時間”是有問題的.一旦沒有了“同時”的概念，空間距離的量度就出了問題，所以說，“絕對空間”自然也就有了問題.

到了20世紀(jì)初，隨著電磁場理論的建立和完善，電磁波的研究成了一個熱點問題，特別是圍繞光行差現(xiàn)象、雙星歧變現(xiàn)象、邁克爾孫-莫雷實驗結(jié)果，有關(guān)光速問題展開的討論，結(jié)論相互矛盾，經(jīng)典力學(xué)理論受到了質(zhì)疑，使學(xué)術(shù)界迷霧茫茫.

這時，一位瑞士專利局的職員阿爾伯特·愛因斯坦，在1905年的一篇著名的論文中指出，只要人們愿意拋棄絕對時間的觀念的話，整個以太的觀念則是多余的，并且推導(dǎo)出長度和時間的相對性及其變換式，相對論從此誕生，又經(jīng)過10年的探索，于1915年底建立了廣義相對論.狹義相對論將時間、空間以及運動三者之間的關(guān)系完全揭示了出來(把牛頓力學(xué)作為低速運動理論的特殊情形包括在內(nèi))，但它只是在四維時空的局部(無限小)區(qū)域內(nèi)討論問題，因此稱狹義；廣義相對論則將時間、空間以及運動三者之間的關(guān)系融入整個四維時空之中，其結(jié)論具有一般特征，故稱其廣義.

5.1狹義相對論

狹義相對論得出時空和運動之間的關(guān)系滿足洛倫茲協(xié)變：我們可以得出時間膨脹、空間收縮[4]這樣的一些結(jié)論，也就是說時間、空間、運動是相互聯(lián)系的，不同的運動對應(yīng)不同的時間和空間，并且時間和空間相互制約，它揭示了作為物質(zhì)存在形式的空間和時間與運動的相對性；也揭示了物質(zhì)和運動在本質(zhì)上的統(tǒng)一性(力學(xué)運動和電磁運動)和唯一性以及質(zhì)量和能量的相當(dāng)性；同時為原子能的利用奠定了理論基礎(chǔ).

5.2廣義相對論

廣義相對論產(chǎn)生的重要前提是首先對慣性系的優(yōu)越地位提出了質(zhì)疑.從運動本質(zhì)來看，真實的運動是唯一的，規(guī)律只有一個.因此，所有的參照系描述物體的運動應(yīng)該都是等價(平權(quán))的.這樣，只要所有的參考系都可以用來描述運動，就為我們研究運動帶來了極大的方便，在不同的參照系(坐標(biāo)系)里，物體運動規(guī)律的表現(xiàn)形式各不相同(相對性)，但這些數(shù)學(xué)形式完全等價，可以通過坐標(biāo)變換相互推得，因此，物理規(guī)律在所有的參照系中都是協(xié)變的[5].愛因斯坦將引力問題幾何化后，就標(biāo)志廣義相對論的建立，也得到實驗的有力支持(如引力紅移、水星近日點的進(jìn)動、光線在引力場中的偏轉(zhuǎn)等等).同時引出了彎曲時空(如果各點的時空特性相同，就是平直時空)，這個時空的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)取決于物質(zhì)的分布和運動，不是固定的[6]，它每時每刻都在變化，我們稱其為“軟體動物參照系”[7].對某一時空點(無限小的局部，近似于平直時空)的運動情況，我們便可以用狹義相對論的理論來討論.

由于這個時空理論遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的認(rèn)知想象和思維能力，所以在常人看來有點不可思議，難于理解，而100年前能有這樣的發(fā)現(xiàn)，我們不由得被科學(xué)家思想的偉大而折服.相對時空觀的確立，是時空理論的又一次重大變革，這是時空觀的第三次革命，是人類認(rèn)識自然的又一次飛躍，也標(biāo)志著物理學(xué)新理論的誕生.時隔100年后的今天，其理論還在被證實和接受，也被推廣、應(yīng)用到其他領(lǐng)域，它是人類文明進(jìn)程中最輝煌的篇章之一.

6結(jié)束語

總之，從運動性質(zhì)來看，絕對中有相對，相對中也有絕對.物質(zhì)運動、時間、空間都是絕對與相對的辯證統(tǒng)一.譬如說同時具有相對性，但在同一個地點同時發(fā)生的兩個事件，這個同時卻是絕對的，并且因果關(guān)系的順序是絕對的[8].再比如“太陽靜止，地球在運動”，或者“太陽在運動，地球靜止”，只是基于兩個不同坐標(biāo)系的兩種表白而已，這種相對運動的描述沒什么不對.但說“太陽中心說”與“地球中心說”的爭論毫無意義就不對了.因為，相對于眾多的天體而言，只能是地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，而不是太陽圍繞地球旋轉(zhuǎn)，這是絕對的.還有，相對論強調(diào)時間與空間的相對性，但光速不變又是絕對的，等等.所以，運動的描述是相對的，但運動規(guī)律不變是絕對的.

綜上，從亞里士多德到牛頓再到愛因斯坦，時空觀經(jīng)歷了3次變革，導(dǎo)致了自然科學(xué)理論的3次拓展，再現(xiàn)了物理學(xué)的3次跨越.掌握這一過程是充分理解時空觀的最好途徑，它同時也折射出了人類文明的前進(jìn)歷程.

參 考 文 獻(xiàn)

1W·C·丹皮爾.科學(xué)史(上冊).李珩譯.北京：商務(wù)印書館，2009.33

2亞里士多德.物理學(xué).張竹明譯.北京：商務(wù)印書館，2011. 83～95,113～127

3牛頓.自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理.趙振江譯.北京：商務(wù)印書館，2011. 7～14

4馬文蔚,等.物理學(xué)(下冊).北京：高等教育出版社，1999(2005重印).190～195

5愛因斯坦.愛因斯坦文集 第二卷.許良英，等編譯.北京：商務(wù)印書館，2011. 336～339

6愛因斯坦.愛因斯坦文集 第一卷.許良英,等編譯.北京：商務(wù)印書館，2011. 366～378

7阿爾伯特·愛因斯坦.相對論.易洪波,李智謀譯.南京：江蘇人民出版社，2011.193

8趙近芳. 大學(xué)物理學(xué)(上冊).北京：北京郵電大學(xué)出版社，2002.96

The Historical Evolution of Time-space Concepts

Li Song

(College of Science, Nantong University, Nantong,Jiangsu 226019)

Abstract:The establishments from the early stage of civilization to Aristotle′s geocentrism in ancient Greek, and to Newton′s classical mechanics in the 17th Century, and then to Einstein′s theory of relativity are presented. Every time, the establishment of a new theory experiences a revolution and evolution of time-space concepts, and sublimates the physical theories.

Key words:time;space;covariation;absolute time-space concept;relative time-space concept