時間與空間科學解釋

時間與空間科學解釋616宿舍奉上byJoey時間與空間基本解釋

一般意義上講，時間是物質(zhì)存在的“持續(xù)”屬性，空間是物質(zhì)存在的“廣延”屬性。

他們都是物質(zhì)存在的屬性，它們的關系不是簡單的比例關系也不是簡單的轉(zhuǎn)換關系。他們之間的關聯(lián)是以物質(zhì)為媒介的，時間和空間都是相對的，對于不同的慣性系來說，時間和空間的尺度是不一樣的，他們都會因運動和引力而發(fā)生改變，物質(zhì)引力和物質(zhì)運動速度會使空間發(fā)生彎曲，會把時間壓縮，具體的計算過程是非常復雜的，如果有興趣可以研究一下廣義相對論和量子力學等學科，在不同的理論學說中，時間和空間被給與不同的定義含義。人類對時空認識的過程

在物理學中，對空間和時間的認識可以分為三個時段：經(jīng)典力學階段、狹義相對論階段及廣義相對論。 在經(jīng)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。 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(shù)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(shù)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(fā)生的兩個事件，相對于其他的慣性參照系也必定是同時的。在135年前的今天1879年3月14日，二十世紀最偉大的科學家、現(xiàn)代物理革命的先驅(qū)——愛因斯坦誕生于德國西南的烏耳姆城。在131年前的今天，1883年3月14日，馬克思逝世。狹義相對論的時空觀

狹義相對論認為空間和時間并不相互獨立，而是一個統(tǒng)一的四維時空整體，并不存在絕對的空間和時間。在狹義相對論中，整個時空仍然是平直的、各向同性的和各點同性的。

狹義相對論是建立在四維時空觀上的一個理論，因此要弄清相對論的內(nèi)容，要先對相對論的時空觀有個大體了解。在數(shù)學上有各種多維空間，但目前為止，我們認識的物理世界只是四維，即三維空間加一維時間?，F(xiàn)代微觀物理學提到的高維空間是另一層意思，只有數(shù)學意義，在此不做討論。

四維時空是構成真實世界的最低維度，我們的世界恰好是四維，至于高維真實空間，我們還無法感知。舉一個例子，一把尺子在三維空間里（不含時間）轉(zhuǎn)動，其長度不變，但旋轉(zhuǎn)它時，它的各坐標值均發(fā)生了變化，且坐標之間是有聯(lián)系的。四維時空的意義就是時間是第四維坐標，它與空間坐標是有聯(lián)系的，也就是說時空是統(tǒng)一的，不可分割的整體，它們是一種“此消彼長”的關系。

四維時空不僅限于此，由質(zhì)能關系知，質(zhì)量和能量實際是一回事，質(zhì)量（或能量）并不是獨立的，而是與運動狀態(tài)相關的，比如速度越大，質(zhì)量越大。在四維時空里，質(zhì)量（或能量）實際是四維動量的第四維分量，動量是描述物質(zhì)運動的量，因此質(zhì)量與運動狀態(tài)有關就是理所當然的了。在四維時空里，動量和能量實現(xiàn)了統(tǒng)一，稱為能量動量四矢。另外在四維時空里還定義了四維速度，四維加速度，四維力，電磁場方程組的四維形式等。值得一提的是，電磁場方程組的四維形式更加完美，完全統(tǒng)一了電和磁，電場和磁場用一個統(tǒng)一的電磁場張量來描述。

四維時空的物理定律比三維定律要完美的多，這說明我們的世界的確是四維的。可以說至少它比牛頓力學要完美的多。至少由它的完美性，我們不能對它妄加懷疑。綜上所述愛因斯坦狹義相對論關于同時的相對性、運動的時鐘變慢、運動的空間收縮和運動的質(zhì)量變大這四個觀點已經(jīng)徹底顛覆了牛頓的絕對時空觀念。廣義相對論下的時空觀廣義相對論是愛因斯坦繼狹義相對論之后，深入研究引力理論，于1913年提出的引力場的相對論理論。這一理論完全不同于牛頓的引力論，它把引力場歸結為物體周圍的時空彎曲，把物體受引力作用而運動，歸結為物體在彎曲時空中沿短程線的自由運動。因此，廣義相對論亦稱時空幾何動力學，即把引力歸結為時空的幾何特性。按照廣義相對論，在局部慣性系內(nèi)，不存在引力，一維時間和三維空間組成四維平坦的歐幾里得空間；在任意參考系內(nèi)，存在引力，引力引起時空彎曲，因而時空是四維彎曲的非歐黎曼空間。

愛因斯坦找到了物質(zhì)分布影響時空幾何的引力場方程。時間空間的彎曲結構取決于物質(zhì)能量密度、動量密度在時間空間中的分布，而時間空間的彎曲結構又反過來決定物體的運動軌道。

如何理解廣義相對論的時空彎曲呢？這里我們借用一個模型式的比擬來加以說明。假如有兩個質(zhì)量很大的鋼球，按牛頓的看法，它們因萬有引力相互吸引，將彼此接近。而愛因斯坦的廣義相對論則并不認為這兩個鋼球間存在吸引力。它們之所以相互靠近，是由于沒有鋼球出現(xiàn)時，周圍的時空猶如一張拉平的網(wǎng)，現(xiàn)在兩個鋼球把這張時空網(wǎng)壓彎了，于是兩個鋼球就沿著彎曲的網(wǎng)滾到一起來了。這就相當于因時空彎曲物體沿短程線的運動。所以，愛因斯坦的廣義相對論是不存在“引力”的引力理論?？臻g彎曲的解釋

先讓我們這樣想象：在一艘宇宙飛船里，有人在仔細觀察附近的一顆行星。這顆行星的表面完全被深深的海洋覆蓋著，因此有著象臺球那樣的光滑表面。再假設有一條船在那個行星的海洋上沿赤道線朝正東方向行駛著?，F(xiàn)在再進一步設想一下，這位觀察者根本看不見這顆行星，而只能看到這條船。當他研究這條船的運動路線時，他會驚訝地發(fā)現(xiàn)這條船走的是一條圓弧。它最后會回到自己的出發(fā)點，從而描繪出一個完整的圓周。

假設得出的結論如果這條船改變路線，航道就會變得彎彎折折的，不再是個簡單的圓周。但是，不管它怎么改道，無論它怎么行進，它的航線總是在一個球面上。根據(jù)所有這些事實，這位觀察者可能會推斷出，這條船被束縛在一個看不見的球體的表面上，而束縛它的力正是指向球體中心的重力。要不，他就可能會認為，這條船被限制在一塊特殊的空間里面。這塊空間是彎曲的，而且彎曲成一個球形，從而迫使這條船走出這樣的路線來。換句話說，我們必須在一個力和一種空間幾何形態(tài)之間作出選擇。你大概會認為這是一種想象出來的局面，但實際上并非如此。地球這顆行星是沿著橢圓路線繞著太陽運行的，正象一條船在某個看不見的曲面上行駛一樣。至于這條橢圓路線，我們是假設太陽和地球之間有一種引力來解釋的，正是這種引力使地球保持在它的軌道上。

不過，我們也可以從空間幾何形態(tài)來考慮問題。我們不是通過觀察空間本身——空間是看不見的——而是通過考察物體在這種空間里的運動方式，來確定這種空間的幾何形態(tài)。如果空間是“平坦的”，各種物體就會走直線從這個空間中通過，如果空間是“彎曲的”，各種物體就會走出彎曲的路線來。

一個具有確定質(zhì)量和速度的物體，如果在離開其他質(zhì)量都很遠的地方運動，那么，它的路徑真的可以說是一條直線。而當它走近另一個質(zhì)量的時候，它的路徑就會變得越來越彎曲，顯然，是質(zhì)量把空間彎曲了。質(zhì)量越大，離質(zhì)量越近，空間彎曲的曲率就越大。把萬有引力看作是一個力，看來要比用空間幾何形態(tài)去解釋它方便得多，也自然得多。但是，如果在考慮光的行進時，情形就會顛倒過來。按照比較舊的觀點，光是不受重力影響的，因為它沒有質(zhì)量。然而，當光在彎曲空間里穿過時，它的路徑也會彎曲起來。把光的速度考慮進來，它在太陽這個巨大質(zhì)量的附近經(jīng)過時路徑的彎曲就能計算出來了。一句話總結相對論下時空觀

狹義相對論認為空間和時間隨物質(zhì)運動而變化，質(zhì)量隨運動而變化，質(zhì)量和能量的相互轉(zhuǎn)化。 廣義相對論將經(jīng)典的牛頓萬有引力定律包含在狹義相對論的框架中，提出物質(zhì)存在于時空，決定了時空如何彎曲,而時空的彎曲決定了其中的物質(zhì)如何運動。用量子理論觀點看待時空

在廣義相對論中，愛因斯坦將時空描述為在根本上是光滑的，只有在受到能量或物質(zhì)的作用下才會發(fā)生扭曲。然而一些量子物理學家們對此持有不同意見，他們認為時空并不是連續(xù)的，而是由大量微小的粒子組成的，這些粒子不斷出現(xiàn)和消失。 對于引力，廣義相對論描述為彎曲的時空，這是我們所知的：物體（星體）造成時空的曲率產(chǎn)生引力子，彎曲的時空造成時空漣漪形成引力波，引力子隨引力波而傳遞，并與暗能量相互作用形成引力。然而，對于時空曲率狀態(tài)下的粒子德布羅意波動，我們利用大尺度下的時空曲率無法與其相互描述而建立一個量子引力理論。則我們猜測時空亦具有量子性，同時具有物質(zhì)波動，來解釋量子引力的相關問題。

我們所知的時空，包括物質(zhì)，都是由一份一份能量子構成的，其數(shù)值為，。由該普朗克常量而言，時空確存在最小量。在此，還存在一個約化普朗克常量，在量子力學中經(jīng)常使用，我們記作。從海森堡不確定性原理而言，這些最小單位量都具有不確定性，其共軛量的乘積大于等于約化普朗克常量。我們可以用一個方程來表達。 在一般科學界認同的關于海森堡不確定性原理的特性，即這種粒子諧振狀態(tài)的來源，我們歸于一種稱作真空能量的起伏造成的量子漲落一一這是量子力學允許的一種狀態(tài)，在真空中允許短暫的出現(xiàn)一段正能量子，從而產(chǎn)生一個引力場，通過產(chǎn)生負能量虛粒子與該能量相互消失。在這種微小的漲落中，正能量子必須遵守不確定性，這表示它或許會產(chǎn)生一小段引力波。然而這種橫波在某處空間出現(xiàn)的引力子必然具有幾率性，這表示，引力波亦可能是一種物質(zhì)波，對于時空的擾動同樣具有幾率性。若引力波出現(xiàn)的范圍是具有幾率性的，對于一般的時空而言，時空尺度亦具有不確定性一一這是對于時空坐標而言的，即時空也具有不確定性。

而量子力學的不確定性原理告訴我們，宇宙在微觀尺度上是一個鬧哄哄的、混沌的、瘋狂的世界。在超微尺度上，量子力學核心的不確定性原理與廣義相對論核心的空間的光滑幾何模型是針鋒相對的。這兩個主導物理學走向近半個世紀的理論在許多方面，竟然是對立的。但是，兩個理論中無論哪一個其本身都不能對自然給出令人滿意的描述。相對論不可能單獨成為統(tǒng)一場論的基礎。沒有相對論的量子力學也無法讓人滿意。將兩種時空觀統(tǒng)一起來，可以嗎？即：是否存在終極理論？？超弦理論：完美的騙子？？

弦論的一個基本觀點是，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的點狀粒子，而是很小很小的線狀的“弦”（包括有端點的“開弦”和圈狀的“閉弦”或閉合弦）。弦的不同振動和運動就產(chǎn)生出各種不同的基本粒子。弦論中的弦尺度非常小，但操控它們性質(zhì)的基本原理預言，存在著幾種尺度較大的薄膜狀物體，后者被簡稱為“膜”。直觀的說，我們所處的宇宙空間可能是9+1維時空中的D3膜。弦論是現(xiàn)在最有希望將自然界的基本粒子和四種相互作用力統(tǒng)一起來的理論。

弦理論家們普遍相信標準模型中的基本粒子實際上都是一些小而又小的振動的弦的閉合圈(稱為閉合弦或閉弦)，所有粒子都可由閉弦的不同振動和運動得到。弦并不是在平常的三維空間運動，而是在我們無法想象的高維空間運動。從本質(zhì)上講，所有的粒子都是質(zhì)地相同的弦的不同的振動，它們實際上是在相同的弦上彈奏著不同的“音調(diào)”。弦理論也統(tǒng)一了四種基本力：開弦的端點為帶荷的粒子，弦的振動描述了它們之間傳遞的力，引力是閉弦的振動。

相對論在時空觀方面有二大變革：一是把時間當作一維特殊的空間，從而擴大了空間的維數(shù)；二是將引力幾何化了。弦理論沿著相對論形式上變革的思路，進一步擴大了空間的維數(shù)：弦理論的數(shù)學方程要求空間是9維的，再加上時間維度，總共是10維時空。

然而，在人們的感覺中，空間總是三維的。對此，弦理論認為，高維空間的存在是合理的，可以舉一個水管的例子來說明：水管的表面是二維的，但是當我們從遠處看它時，它卻像是一維的直線。這是為什么呢？原來，水管的那兩維很不一樣，沿著管子伸展方向的一維很長，容易看到；而繞著管子的那一個圓圈維很短，“卷縮起來了”，不容易發(fā)現(xiàn)。你必須走近水管，才能看清繞著圓圈的那一維。

同樣道理，在弦理論的10維空間中，3維空間和1維時間是可以很容易探測到的宏觀維，其他6維是難以探測到的微觀的空間維。據(jù)說，弦微小到只有10-33厘米，這個長度比我們今天能達到的最小尺度低17個量級，用今天的技術，要銀河系那么大的加速器才能直接看見一根一根的弦。

從宇宙學的觀點上看，我們想象所有的維原來都是緊緊蜷縮著的，然后，3個空間維和一個時間維在大爆炸中展開，一直膨脹到今天的尺度。而其余的空間維仍然蜷縮在一起。這樣，就符合了我們看到的周圍世界。蜷縮的維度無處不在，是空間結構的一部分。假如我們揮一揮手