浅谈时间与空间的关系

李可为

摘 要：时空观可以说是人类认知物理世界的一块基石，人们对于时间与空间的认知也在不断的发生着变革。从经典时空观到相对论时空观，人们对于时间和空间的观念似乎变得愈发明朗，我们也似乎越来越接近事实和真相，但是我们对于整个物理世界的认知永远不会止步。

关键词：时间、空间、时空观、经典时空观、相对论时空观

引言：谈到时间与空间，我们对这两个概念一定不会陌生，从我们小时候所接受的时空观——即时间就是均匀而独立的变化的到我们长大后所接触到的相对论的一种崭新的时空观，我们关于时间和空间究竟是什么，它们之间究竟有什么联系的思考也越来越深入，但是就是对于这个物理学中最基本的问题，我们至今也没有给出一个完全完美的解释，那么我们的时空观究竟经历了哪些变革呢？

一、从经典时空观说起

经典时空观以牛顿的时空观为代表，牛顿认为，时间与任何外在事物都是无关的，时间是在均匀而独立的变化，他所提出的就是一种绝对时间的观念；同样的，空间也是处于一个绝对空间的概念，其量度永远是绝对的，且与外界事物无关。牛顿的这种绝对时间和绝对空间的概念，与他所建立的整个运动体系不无关系，经典运动学定律正是存在于这种绝对时间和绝对空间的框架下的，牛顿运动定律在伽利略坐标变换下是协变的，其满足经典力学相对性原理，而绝对时间和绝对空间本身在伽利略变换中也是协变的。在这种空间下，空间是处处相等的，是各向同性和三维欧几里德空间。

总的来说，经典的时空观是满足以下三点的：第一，同时性是绝对的。即对于一惯性参考系来说，如果两个事情是同时发生的，那么对于其他惯性参考系来说，两件事情也是同时发生的；第二，时间和空间是绝对的。时间是在独立而均匀的变化，且其变化不受参考系选择的影响，而空间的坐标变化也是绝对的，在任一惯性参考系下都是如此；第三：时间和空间各自独立，互不相关。在经典时空观中，时间和空间具有绝对性，且时间和空间脱离物质本身而存在，其存在与物质本身是没有关系的。

二、谈相对论时空观

就在世人都认为科学的大厦已然建成之时，却没发现一场巨大的变革正孕育在几朵乌云之后——那就是量子力学和相对论。从爱因斯坦的狭义相对论开始，在人们的心中，时间、空间和运动的相对性原理就发生了翻天覆地的变化。

狭义相对论和广义相对论揭示了时间、空间和物质运动之间的内在联系——狭义相对论告诉了人们时间和空间与物质的密切关系，广义相对论又进一步告诉了人们时间和空间的性质与物质本身的存在和分布的关系。

· 从狭义时空观谈起

我们从狭义相对论的两个基本假设说起——光速不变原理和相对性原理。

光速不变原理指出了无论光的观察者运动与否，真空中光的传播速度都是一定的，即为光速；相对性原理则阐明了自然规律在所有惯性参考系中都是不变的。而如果想要使这两种基本假设成立，我们就必须要摒弃掉经典时空观中的思想。

狭义相对论之所以为我们提供了一个崭新的时空观，它的新就一定体现在与经典时空观的不同上，即——

i. 同时性是相对的。这里就完全摒弃掉了经典时空观中的绝对性的同时关系，同时性是绝对的，它与时间和物质运动有关。假若在一参考系中，两件事是同时发生的，但对于相对于这一惯性系运动的其他任一惯性参考系来说，两件事将不再是同时发生的了。

ii.时间与空间并不相互独立，而是存在紧密联系的。在狭义相对论理论中，时间和空间不再是各自独立的，爱因斯坦否定了牛顿的绝对时空观，提出了相对时空观，在这种时空观中，时间和空间互相制约又紧密联系，爱因斯坦把时间也加入到这种时空观念中，形成了一个统一的物质存在形式——四维时空，表明了时间与空间的紧密联系。

iii.时空整体的绝对性与因果律。在经典时空观中，同时性是绝对的，所以事情的发展完全遵循着“过去—现在—未来”的主线。在狭义相对论中，事情之间可能存在着某种物理相互作用而发生联系，也可能不存在物理相互作用。

引人两事件的间隔的概念，设第一事件为空时原点（0，0，0，0），设第二事件的空时坐标为（x，y，z，t），两事件的间隔定义为s2=c2t2-x2-y2-z2 而两事件的间隔可以取任何数值：

（1） 若两事件可以用光波联系时，有r=ct 即s2=0 ；

（2） 若两事件可用低于光速的作用相联系，有r

（3） 若两事件的空间距离超过光波在时间t所能传播的距离，有r>ct 因而s2<0 ；

由于从一个惯性系到另一个惯性系的变换中，间隔保持不变，因此上述三种间隔的划分是绝对的，不因参考系变换而改变。

把三维空间与一维时间统一起来考虑，每一事件用这四维时空的一个点表示。为了能夠用直观图像表示，我们暂时限于考虑二维空间和一维时间（代表xy平面上的运动）。我们把二维空间（坐标为x，y）与一维时间（取时轴坐标为ct）一起构成三维时空.事件用这三维时空的一个点P表示.P点在xy 面上的投影表示事件发生的地点，P点的垂直坐标表示事件发生的时刻乘以c。对应于上述三种情况，P点属于三个不同区域：

（1） 若事件P与事件O的间隔s2=0 ，则因r=ct ，因而P点在一个以O为顶点的锥面上，这个锥面称为光锥，凡在光锥上的点，都可以和O点用光波联系。

（2）若事件P与事件O的间隔s2>0 ，则r

（3）若P 与O的间隔s2<0 ，则r>ct ，P点在光锥外。P点不可能与O点用光波或低于光道的作用相联系。这类型的间隔称为类空间隔。具有类空间隔的两事件之间，不可能发生因果关系。

·广义时空观

在广义时空观中，爱因斯坦加入了引力元素，提出了物质对于时空的结构和性质的影响，即时间、空间和物质是存在相互作用的。在广义相对性原理中，爱因斯坦达成了惯性系和非惯性系的统一，所有的参考系都是统一的，这意味着物理定律在不同的参考系中都可表示为相同的形式。

时空的结构和性质都取决于物质的分布，物质分布的越密，时空弯曲也就越厉害，空间、时间和物质是相互作用的，四维空时同物质是紧密联系的。

综上，我们发现，时空观的不断演化使得我们对时空的理解逐步变得深刻，爱因斯坦的时空观为我们开辟了一个新的时空世界，但是绝对的真理是不存在的，而我们对于物理学的认知处在不断的变革当中，这个时空观也一定不是最终答案。

参考文献：

[1]王玉峰，时间空间永无止境的探索[J].江苏科技大学学报，2005年

[2]王瑞，对爱因斯坦相对论变革时空观的思考[J].商业文化，2009年

[3]孙松滨，时空观的演变[J].哈尔滨师范大学自然科学学报