空間時間是什么經(jīng)典很有啟發(fā)

空間時間是什么經(jīng)典很有啟發(fā)演示文稿當(dāng)前1頁，總共64頁。（優(yōu)選）空間時間是什么經(jīng)典很有啟發(fā)當(dāng)前2頁，總共64頁。

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空間的特點(diǎn)是它的三維性

指的是任何現(xiàn)實(shí)的存在都只能在三個方向上體現(xiàn)自己的廣延、伸張和與它事物的距離。

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時間的唯一特性是它的一維性時間只有一個方向。這是由于物質(zhì)運(yùn)動不可能完全等同地重復(fù)。因而又稱“不可逆性”或“一去不復(fù)返性”。時空概念當(dāng)前3頁，總共64頁。

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時間空間與物質(zhì)運(yùn)動不可分割面對一個小孩子，你能把他的年齡、形體從他身上“剝離”下來嗎？要理解一個具體事物有自己的時空性質(zhì)并不難。困難在于理解沒有絕對獨(dú)立的時、空。即沒有什么事情發(fā)生而“白白流逝”的時間和沒有事物的“空框子”。這方面的論證我們放在稍后再討論。時空概念當(dāng)前4頁，總共64頁。5

客觀性對時、空的客觀性的理解和對運(yùn)動客觀性的理解一樣即：時間、空間并非“獨(dú)立實(shí)在”的客體，它們的客觀性是作為物質(zhì)的存在形式而被物質(zhì)所賦予的。時空概念當(dāng)前5頁，總共64頁。

6有限性與無限性可表述為：具體事物、現(xiàn)象有開端和結(jié)束、有形狀和邊沿，因而是有限的。而作為物質(zhì)存在形式的時間和空間是無限的，無始無終，無邊無際。時空概念當(dāng)前6頁，總共64頁。如果時間有開端和結(jié)束，那么，開端以前是什么？結(jié)束以后是什么？如果空間有邊際，那么。邊際之外是什么？時空概念因此，現(xiàn)實(shí)的時間和空間，只能是無限的。只能是：彼岸世界、上帝?？捎梅醋C法來證明：當(dāng)前7頁，總共64頁。（二）時空觀的歷史發(fā)展

可以這樣表述：時空觀是人們對于時間、空間的看法或觀點(diǎn)的總稱。包括：對時空的認(rèn)識（科學(xué)的或經(jīng)驗(yàn)的）、理解（理智的或直觀的）和期望。1時空觀時空觀當(dāng)前8頁，總共64頁。時空觀是最通俗、最經(jīng)常的日常觀念之一。時空觀在日常生活中，人們的這種觀念已表現(xiàn)為各種稀松平常的“生活習(xí)慣”。1當(dāng)前9頁，總共64頁。

當(dāng)我們說：“這個雞蛋真大”、“這個西瓜太小”時，決不會真的以為雞蛋會比西瓜大。

早晨，特別是嚴(yán)寒冬天，起床號吹響：“今夜怎么這么短，我才剛剛睡下”。時空觀當(dāng)前10頁，總共64頁。

第四節(jié)課，肚子餓了：“這節(jié)課怎么這么長”。

一位60歲的老人感嘆道：“三十八年過去，彈指一揮間”；而如果對一位八歲的孩子說：“你都這么大了，只差十幾年就要結(jié)婚了?！彼芾斫鈫?？時空觀當(dāng)前11頁，總共64頁。都知道刷一次牙可能要用幾分鐘而決不會一上午，吃一頓飯可能吃幾小時決不會一個禮拜；

電影、電視中的“好人”被押上刑場，劊子手已舉起屠刀即將砍下的一剎那，一定會有一個暗器正好打在舉起屠刀的那只手上；日本鬼子對群眾架起機(jī)槍，就要扣動扳機(jī)的一瞬間：一定要有一個聲音響起：“住手，我就是你們要找的八路軍”。時空觀當(dāng)前12頁，總共64頁。一定的時空觀是人們理解世界的“框架”，體現(xiàn)了他的胸襟和眼界。

都知道：“站得高才能看得遠(yuǎn)”，生活的狹窄造成胸襟的狹隘?！熬字堋边@口井便是它的全部世界。

春生夏死的蟬不明白冬天，朝生暮死的蜉蝣不理解黑夜。古人說：“曾經(jīng)滄海難為水”。

時空觀2當(dāng)前13頁，總共64頁。

相傳有一個人跟鄰居爭執(zhí)一尺房基地，老母親寫一封信給城里當(dāng)宰相的兒子，希望他來“壓”一下鄰居。時空觀兒子回信卻說：“讓他三尺又何妨？”當(dāng)前14頁，總共64頁。一定的時空觀是人們暴露和表達(dá)自己心靈的“窗口”。

有的人，生活在理想的未來，現(xiàn)實(shí)總使他牢騷滿腹。有的人，向后看，生活在舊日的輝煌和陳芝麻爛谷子的恩怨之中；有的人，只生活在腳下一灘爛泥之中。時空觀3當(dāng)前15頁，總共64頁。

歷史學(xué)家的眼光在縱覽千年上下，天文學(xué)家的眼界以光年計；政客的眼光盯著自己上方的權(quán)力的寶座；庸人的眼光只在自己的鼻尖。時空觀當(dāng)前16頁，總共64頁。

在我們的先祖那里，時、空與實(shí)際事物緊密聯(lián)系。例如：“二指寬”、“五十步”、“頭發(fā)絲那么細(xì)”、“一頓飯功夫”、“一眨眼間”、“下次月園”、“樹葉又黃了三次”、“燕子飛來”。魯迅先生寫小說《采薇》時，用：“大約烙幾張餅的功夫”來描述時間。時空觀/古代2

古代樸素的時空觀當(dāng)前17頁，總共64頁。

我國先哲，猜測到了時空的無限?！疤斓厮姆綖橛?，古往今來為宙”?！耙怀咧N，日取其半，乃世不竭?！?/p>

“有始也者，有未始有始也者，有未始有夫未始也者，有有也者，有無也者，有未始有無也者，有未始有夫未始有無也者---”（莊子·齊物論）時空觀/古代當(dāng)前18頁，總共64頁。

隨著人們相互交往的經(jīng)常和擴(kuò)展，需要一些共同的“標(biāo)準(zhǔn)”，于是，人們約定了一些測度時間和空間的“尺度”和“標(biāo)準(zhǔn)”，如：

兩手伸開——一碼，

兩手對起來——一呎

“一箭之地”，“一炷香功夫”，太陽當(dāng)頂是“午時”，晝夜相交之中是“子時”，一個月按月亮的盈虧分為“晦”、“望”若干日等等。時空觀/古代當(dāng)前19頁，總共64頁。以后，標(biāo)準(zhǔn)日愈完善和準(zhǔn)確，漸漸取代了事物本身的地位，就好像一個人的影子取代了主人的地位，人倒成了影子的附屬一樣。時空觀/歷史當(dāng)前20頁，總共64頁。3

近代形而上學(xué)絕對時空觀我們現(xiàn)在生活在一個高度標(biāo)準(zhǔn)化的時代，標(biāo)準(zhǔn)化已成為我們生活中的習(xí)慣，熟悉到忘記的程度。全球分為24個時區(qū)，人們在可以用相互簡單換算的“東京”、“格林威治”、“紐約”、“北京”時間來旅行、通訊、生產(chǎn)、作息-----時空觀/近代當(dāng)前21頁，總共64頁。中國生產(chǎn)的車箱，日本生產(chǎn)的鐵軌，歐洲生產(chǎn)的車頭，由美國人在非洲組裝，火車就能飛駛。

買來遙遠(yuǎn)美洲生產(chǎn)的電器，不用耽心插不上家里的插座。

市場上到處充斥著“進(jìn)口零件，國內(nèi)組裝”的產(chǎn)品。

如果有朋友自洛杉磯飛來，查詢班機(jī)時刻表，就能準(zhǔn)時去機(jī)場接機(jī)。時空觀/近代當(dāng)前22頁，總共64頁。

時間象一個均勻流逝的“帶子”，與事件過程本身性質(zhì)無關(guān)，各種事物和過程，只不過在這“帶子”上打下“印記”而已?？臻g好比一個“箱子”。放進(jìn)東西或取走東西，箱子依然存在。先祖?zhèn)兊臉闼貢r空觀完全被拋棄了，時間、空間與事物及過程完全割裂。這就是“絕對時空觀”，又稱“牛頓時空觀”。

這樣，人們逐漸形成了這樣的時空觀：

時空觀/近代當(dāng)前23頁，總共64頁。牛頓時空觀在理解和處理日常生活是沒有疑義的。在解決地地球上我們通常認(rèn)為的“科學(xué)”的和“技術(shù)”的問題時，有廣泛的普適性，而且已經(jīng)很精確。但是，用來說明整個世界的根本問題卻行不通。就如高速飛行的飛機(jī)里，機(jī)艙壁上圍著一塊污跡爬行的蒼蠅用它的經(jīng)驗(yàn)來解釋飛機(jī)的運(yùn)動一樣。時空觀/近代當(dāng)前24頁，總共64頁。要解除絕對時空觀的思想禁錮需要科學(xué)材料。在馬克思的時代，雖然提出了辯證時空觀的原理，但尚找不到科學(xué)依據(jù)，因?yàn)槟菚r候科學(xué)的眼界還停留在地球上尋常事物中。哲學(xué)作好準(zhǔn)備，耐心地等待著科學(xué)的發(fā)展。時空觀/近代當(dāng)前25頁，總共64頁。

（三）

愛因斯坦相對論和

時空觀念革命

科學(xué)事實(shí)終于出現(xiàn)了。即本世紀(jì)初的愛因斯坦相對論。這是一場震撼人心的科學(xué)革命事件，引起了一場深刻而徹底的觀念革命。當(dāng)前26頁，總共64頁。

【1】

狹義相對論（1905年）

1905年6月發(fā)表在德國《物理學(xué)雜志》上的一篇論文《論動體的電動力學(xué)》。文章只有幾頁，既沒有文獻(xiàn)引證，又沒有權(quán)威著作的援引，一開始便單刀直入地提出絕對靜止是不可能成立的。接著，提出光速不變公設(shè)，論證“同時性”沒有意義，和他著名的變換方程。這就是后人所稱“狹義相對論”。同年9月，發(fā)表《物體慣性同它所含的能量有關(guān)嗎》一文。只有三頁，文中推導(dǎo)出著名的質(zhì)能相關(guān)式E=mc2.。物體的質(zhì)量是能量的量度，輕而易舉地開辟了新的能源——原子能。當(dāng)年愛因斯坦26歲。是瑞士小城伯爾尼專利局的一個小職員。狹義相對論當(dāng)前27頁，總共64頁。據(jù)說，愛因斯坦還是一個十四歲的中學(xué)生時，一次突然想象，如果自己乘坐一列火車追著一束光前進(jìn)，會看到什么？答案是：會看到光不再是一束“光線”，而是原地振動的點(diǎn)。這就是著名的“追光詳謬”。狹義相對論當(dāng)前28頁，總共64頁。

“追光詳謬”其實(shí)是一種參照系的變換。靜止參照系變?yōu)檫\(yùn)動參照系，觀測者“參與”運(yùn)動之中。

可以拿生活中常見的事打比方。如果我們站在鐵軌旁，看到火車有如一條線從眼前開過。而如果我們坐在火車?yán)?，就只感到顛簸和搖晃。我們生活在地球上，不感到它在運(yùn)動，而如果在月球上看，會看到地球在飛快旋轉(zhuǎn)（1100m/秒）。如果站在太陽上看，會看到地球在飛快地奔馳（3000m/秒）。狹義相對論當(dāng)前29頁，總共64頁。

我們過去熟知的非常權(quán)威的測量標(biāo)準(zhǔn)和方法，實(shí)際上只適用于地球上大物體的低速運(yùn)動。但我們卻以為這就是一切運(yùn)動的規(guī)則。

狹義相對論

tˊ＝β(t±v/c2x),βˊ＝β(x－vt)x,yˊ＝y(tǒng),zˊ＝z.（縮小因子）β＝1/√1-(v/c)2下面，我們將愛因斯坦的計算公式簡化，簡單計算一下：當(dāng)前30頁，總共64頁。而當(dāng)v相當(dāng)大，大到接近于光速c時：這就是“尺縮效應(yīng)”和“鐘慢效應(yīng)”。當(dāng)然，這種效應(yīng)僅相對靜止參照系而言，在運(yùn)動中，時間和空間的感覺依然如常。VtT（小時）I0（m）L(m)0.9c1小時2.29410.4360.98c1小時5.02510.1990.99c1小時7.0910.141狹義相對論當(dāng)前31頁，總共64頁。這種效應(yīng)當(dāng)然引起了人們的無窮想象：如果有一對雙胞胎兄弟，在他們20歲那年，其中一個兄弟乘坐速度為0.99c的火箭遨游太空，而另一位兄弟留在地球上，一年以后，那位21歲的太空游子返回地球，會發(fā)現(xiàn)自己的同齡兄弟已是74歲的老翁了。這就是人稱“雙胞胎詳謬”的想象。狹義相對論當(dāng)前32頁，總共64頁。狹義相對論的

觀念革命意義在于：

⑴將時、空的測量標(biāo)準(zhǔn)和方式與實(shí)際事物的時、空性質(zhì)區(qū)分開來。

打破了過去以為測量就是時空本身的誤解，“影子就是影子”，“地圖絕不是領(lǐng)土”。狹義相對論當(dāng)前33頁，總共64頁。⑵打破了絕對時空觀對人們長達(dá)數(shù)百年的統(tǒng)治，為辯證時空觀提供了科學(xué)依據(jù)。⑶使牛頓的理論成為非常有限范圍內(nèi)的特殊理論，打破了長期以來對人們思想的禁錮。狹義相對論當(dāng)前34頁，總共64頁。

【2】廣義相對論（1915）

狹義相對論完成后，愛因斯坦基于把相對性原理貫徹到底的信念和哲學(xué)認(rèn)識論的原則，又向廣義相對論進(jìn)軍。經(jīng)過10年的探索，在狹義相對論的基礎(chǔ)上，加上引力場作用，1915年11月，愛因斯坦完成了他的論文《廣義相對論的基礎(chǔ)》，同時，解決了長期困擾物理學(xué)界的勒維烈水星近日點(diǎn)運(yùn)動。

廣義相對論從此圖開始以下三張背景為現(xiàn)代數(shù)學(xué)“混沌學(xué)”的計算機(jī)繪制圖形當(dāng)前35頁，總共64頁。

在《廣義相對論》一文中，愛因斯坦的思想已爐火純青，理論范圍極大，概念十分清晰，對所有參照系都適用。經(jīng)典的守恒定律失去了原有的意義，僅僅成了一些恒等式，過去曾權(quán)威的引力對物體運(yùn)動的影響失去了意義。時空與物質(zhì)密切相關(guān)，是運(yùn)動著的物質(zhì)存在的方式?！翱臻g、時間未必能被看作是一種可以離開物理實(shí)在的實(shí)際客體而獨(dú)立存在的東西。物理客體不是在空間之中，而是這些客體有著空間的廣延?！睆氐椎胤穸伺ｎD的絕對時空觀。廣義相對論當(dāng)前36頁，總共64頁。

廣義相對論因很快得到科學(xué)的證實(shí)而引起轟動，愛因斯坦提出的若干假說令人瞠目結(jié)舌。數(shù)十年來，它們一一被科學(xué)觀測所證實(shí)。至今天，還未發(fā)現(xiàn)一例與之不相符的觀測?，F(xiàn)列如下：廣義相對論當(dāng)前37頁，總共64頁。1）紅移現(xiàn)象假說

愛因斯坦預(yù)言：由于引力場的作用，大質(zhì)量星球的光譜線會移向光譜紅端，即光的引力頻移。

1924年，亞當(dāng)斯（W?Adams）對天狼星伴星的觀察，1923年—1928年五年中持續(xù)不斷地對太陽表面Fe、Ti、Cu光譜觀測，與預(yù)言相符。1958年穆斯保爾（R?L?MossBauer）效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后，實(shí)驗(yàn)室中利用γ射線實(shí)驗(yàn)也與預(yù)言相符。廣義相對論當(dāng)前38頁，總共64頁。2）恒星位置假說

愛因斯坦預(yù)言，由于引力作用，光線實(shí)際上是彎曲的，因此，我們平時觀測到的恒星位置是有誤差的。大約在1.74″。

為了證實(shí)這一預(yù)言，德國曾在1914年組織考察隊(duì)前往俄國克里木半島，準(zhǔn)備在全日食情況下進(jìn)行觀測。恰逢第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，考察隊(duì)人員全部被俄國作為戰(zhàn)俘扣留，至使這次觀測未能進(jìn)行。廣義相對論當(dāng)前39頁，總共64頁。

1919年，英國皇家學(xué)會組織了

兩支科學(xué)考察隊(duì)，一支前往西非北部的索布拉爾，一支前往西非幾內(nèi)亞灣的普林西比島后一支考察隊(duì)由著名天文學(xué)家愛丁頓（ArthurStanleyEddington1882-1944）率領(lǐng)。普林西比的結(jié)果是1.61±0.30''，索布拉爾的結(jié)果是1.98±0.12'',在誤差允許范圍內(nèi)與預(yù)言1.74''相符合。以后，在1954、1957年的考察與預(yù)言完全符合。廣義相對論當(dāng)前40頁，總共64頁。3）地球引力場強(qiáng)度假說

根據(jù)廣義相對論計算，地球的引力場強(qiáng)度是不均勻的，近中心者強(qiáng)度大，隨距離拉開逐漸減弱，這種強(qiáng)度差異，會使得時鐘快慢發(fā)生差異。依據(jù)這個計算，1960年，龐德和雷布卡作了一個實(shí)驗(yàn)，在距海平面22.6m的塔頂和塔底各置一鈉鐘，測出其快慢差為2.5×10-15秒，與預(yù)言完全符合。廣義相對論當(dāng)前41頁，總共64頁。4）引力波假說

1974-1978五年間對PSR1913+16雙星觀測，該雙星質(zhì)量大，體積小，密度極大，軌道周期僅8小時。其中之一為脈沖星，脈沖星周期59毫秒，每周期減少萬億分之三（3×10-13），近五年上億次觀測記載，參數(shù)精度達(dá)百億分之一（10-11）觀測結(jié)果與預(yù)言完全相符。廣義相對論當(dāng)前42頁，總共64頁。5）黑洞假說

廣義相對論當(dāng)前43頁，總共64頁。

廣義相對論開始并不為大多數(shù)人所理解。相傳一次皇家學(xué)會的聚會上，人們都說，世界上只有三個人懂廣義相對論。除了愛因斯坦，他的老師閔可夫斯基，人們認(rèn)為第三個人當(dāng)然是愛丁頓了?？墒?，愛丁頓卻說：“我也在想，這第三個人是誰？”廣義相對論當(dāng)前44頁，總共64頁。學(xué)者們大多不懂廣義相對論，主要原因是愛因斯坦使用了當(dāng)時鮮為人知的黎曼幾何，張量計算，絕對微分等數(shù)學(xué)方法，使用克里斯多夫符號，閔可夫斯基（HermammMinkowski1864-1909）四維時空統(tǒng)。從而，愛因斯坦促進(jìn)了一門新的學(xué)科——非歐幾何學(xué)的發(fā)展。非歐幾何當(dāng)前45頁，總共64頁。

現(xiàn)在，人們都知道非歐幾何與愛因斯坦的關(guān)系。其實(shí)，在愛因斯坦以前，非歐幾何就悄悄地產(chǎn)生了，只是由于派不上什么用場，一直停留在“純數(shù)學(xué)”領(lǐng)域而鮮為人知。似乎數(shù)學(xué)家們默默地為在為廣義相對論準(zhǔn)備數(shù)學(xué)工具。非歐幾何當(dāng)前46頁，總共64頁。廣義相對論發(fā)表后，愛因斯坦又在非歐幾何學(xué)方面做出了杰出的貢獻(xiàn)，作為非歐幾何創(chuàng)始人之一被載入史冊。非歐幾何當(dāng)前47頁，總共64頁?！?】非歐幾何簡介

非歐幾何最開始是幾位數(shù)學(xué)家分別獨(dú)自研究的幾種幾何學(xué)，他們是：高斯（1778-1855），N·T·洛巴切夫斯基（1793-1856），黎曼（1828-1866）等。最早以完整形式發(fā)表在1833年。（高斯）非歐幾何當(dāng)前48頁，總共64頁。非歐幾何實(shí)際應(yīng)稱為“微分幾何”或“非正則幾何”。因?yàn)槠渑c傳統(tǒng)的歐幾里德幾何學(xué)不同而被俗稱為“非歐幾何”。在我們熟知的歐氏幾何中的基本概念如：點(diǎn)、線、面，在非歐幾何中沒有這種概念，相當(dāng)于這些概念的是“未下定義的物質(zhì)形體”。如黎曼幾何中的“流形”。其中，既有物質(zhì)的廣延，又包含時間。非歐幾何黎曼流形當(dāng)前49頁，總共64頁。歐氏幾何中極重要的“對稱性”、“全等性”、“不變的角”非歐幾何中沒有這樣的概念，相當(dāng)?shù)氖恰熬植壳省毙再|(zhì)，即“非正則”性質(zhì)。非歐幾何當(dāng)前50頁，總共64頁。在計算上，主要是微分、拓樸，甚至“絕對微分法”即沒有固定坐標(biāo)的微分系統(tǒng)。非歐幾何門類很多，這里簡單介紹兩種，即洛巴切夫斯基幾何和黎曼幾何。非歐幾何當(dāng)前51頁，總共64頁。

洛氏幾何又被稱為“宇宙幾何”。因?yàn)樗枋龅氖谴蟪叨瓤臻g，又稱為“內(nèi)蘊(yùn)幾何”。其最大特點(diǎn)是“保形性”。非歐幾何當(dāng)前52頁，總共64頁。t非歐幾何

L2洛氏平面示意圖

當(dāng)前53頁，總共64頁。

在黎曼幾何中，任何一個“黎曼流形”都是一個“張量場”，其中任何一點(diǎn)都具有四個方向上的性質(zhì)，這是一種“局部坐標(biāo)”性質(zhì)的幾何，只能用無統(tǒng)一坐標(biāo)的“絕對微分法”計算，因這一性質(zhì)，又被稱為“無坐標(biāo)幾何”或“無定則幾何”。非歐幾何當(dāng)前54頁，總共64頁。自愛因斯坦后，這些數(shù)學(xué)形式已有了廣泛運(yùn)用，例如我們現(xiàn)在說的什么“宇宙爆炸”、“宇宙收縮”、“黑洞”、“脈沖星”、“白矮星”等，都是使用這兩種數(shù)學(xué)方法和愛因斯坦公式計算的結(jié)果。非歐幾何當(dāng)前55頁，總共64頁。非歐幾何當(dāng)前56頁，總共64頁。非歐幾何學(xué)把形而上學(xué)時空觀打得落花流水，閔可夫斯基1907年在哥根延數(shù)學(xué)學(xué)會上的報告說：“從現(xiàn)在起，孤立的空間和孤立的時間注定要消失為影子，只有兩者的統(tǒng)一才能保持獨(dú)立存在。”

時間、空間只能是物質(zhì)的性質(zhì)和形式，離開是什么物質(zhì)和物質(zhì)的實(shí)際狀況，時間、空間沒有意義。

在非歐幾何里，時空不可分割。時空與物質(zhì)不可分割是基本的原則。非歐幾何當(dāng)前57頁，總共64頁。