空間和時間

空間和時間是事物之間的一種次序。空間用以描述物體的位形；時間用以描述事件之間的先后順序。空間和時間的物理性質主要通過它們與物體運動的各種聯系而表現出來。

　　在物理學中，對空間和時間的認識可以分為三個階段：經典力學階段、狹義相對論階段及廣義相對論階段。

　　在經典力學中，空間和時間的本性被認為是與任何物體及運動無關的，存在著絕對空間和絕對時間。牛頓在《自然哲學的數學原理》中說：“絕對空間，就其本性來說，與任何外在的情況無關。始終保持著相似和不變”“絕對的、純粹的數學的時間，就其本性來說均勻地流逝，而與任何外在的情況無關”。

　　另一方面，物體的運動性質和規律，卻與采用怎樣的空間和時間來度量它有著密切的關系。相對于絕對空間的靜止或運動，才是絕對的靜止或運動。只有以絕對空間作為度量運動的參照系，或者以其他作絕對勻速運動的物體為參照物，慣性定律才成立。即不受外力作用的物體，或者總保持靜止，或者總保持勻速運動。這一類特殊的參照系，被稱為慣性參照系。

　　任何兩個不同的慣性參照系的空間和時間量之間滿足伽利略變換。在這種變換下，位置、速度是相對的，即相對于不同參照系其數值是不同的：長度、時間間隔是絕對的，即相對于不同參照系其數值是不變的，同時性也是絕對的。相對于某一慣性參照系同時發生的兩個事件，相對于其他的慣性參照系也必定是同時的。另外，牛頓力學規律在伽利略變換下保持形式不變，這一點符合伽利略相對性原理的要求。

　　正是這個相對性原理，構成了對牛頓的絕對空間概念的懷疑的起點。如果存在絕對空間，則物體相對于這個絕對空間的運動就應當是可以測量的，這相當于要求在某些運動定律中含有絕對速度。然而，相對性原理要求物體的運動規律中必定不含有絕對速度，亦即絕對速度在原則上是無法測定的。萊布尼茲、貝克萊、馬赫等先后都對絕對空間、時間觀念提出過有價值的異議，指出過，沒有證據能表明牛頓絕對空間的存在。

　　愛因斯坦推廣了上述的相對性原理，提出狹義相對論的相對性原理，即不但要求在不同慣性參照系中力學規律具有同樣形式，而且其他物理規律也應如此。

　　在狹義相對論中，不同慣性系的空間和時間之間遵從洛倫茲變換。根據這種變換，同時性不再是絕對的，相對于某一參照系為同時發生的兩個事件，相對于另一參照系可能并不同時發生。在狹義相對論中，長度和時間間隔也變成相對量，運動的尺相對于靜止的尺變短，運動的鐘相對于靜止的鐘變慢，光速在狹義相對論中是絕對量，相對于任何慣性參照系光速都是c。

　　經典力學和狹義相對論都認為一個慣性參照系可以適用于整個宇宙，或至少一個大的范圍。相對于某一個慣性參照系，宇宙中任何范圍中的物體運動都遵從慣性定律。

　　愛因斯坦在廣義相對論中指出，如果考慮到物體的萬有引力，一個慣性參照系只能適用于一個非常局部的范圍，不可能適用于大的范圍，或全宇宙。如果對于描寫一個局部范圍中的物體來說，某一參照系是慣性的那么對其他范圍中的物體運動而言，它一般就不再是慣性的。

　　為了描寫在一個大范圍中的運動，對不同局部范圍要用不同的慣性參照系。物體之間的引力的作用，就在于決定各個局部慣性系之間的聯系。

　　用幾何的語言來說，各個不同的局部范圍的慣性參照系之間的關系，可以通過時空曲率來規定。引力的作用就在于使空時變成彎曲的，而不再是經典力學中的無限延伸的歐幾里得幾何的絕對空間，也不再是經典力學中的無限延伸的閔可夫斯基空間。

　　總之，在廣義相對論中，時空的性質不是與物體運動無關的。一方面，物體運動的性質要決定于用怎樣的空間時間參照系來描寫它另一方面時空的性質也決定于物體及其運動本身。

　　量子論的發展，對時間概念提出了更根本的問題。量子論的結論之一就是：對于一個體系在過去可能存在于什么狀態的判斷結果，要決定于在現今的測量中做怎樣的選擇。所以，除非一個體系的過去狀態是已經被記錄到了這種情況以外，不能認為體系的歷史是獨立于現今的選擇，而存在于過去的時間中的。

　　這種現在與過去之間的相互關系，是與因果順序概念十分不同的，暗含于時間概念中的因果序列要求過去的存在應是不依賴現在的。另外，量子論還表明，在10¯³³厘米、10¯³³秒這樣小的時空尺度中，描寫事件順序的“前”“后”概念將失去意義。

　　因此，用時間來描述事件發生的順序，可能并不總是合用的。空間與時間是事物之間的一種次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一種近似。