物理時(shí)空觀的進(jìn)展時(shí)間和空間是哲學(xué)的基本概念（范疇），也是物理學(xué)的基本概念。因?yàn)樗鼈兣c“物質(zhì)”這一范疇緊密相關(guān)。至今看來(lái)，對(duì)它們最科學(xué)的“定義”，是由辯證唯物主義給出的哲學(xué)“定義”：“空間和時(shí)間是運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)的存在形式?？臻g反映了物質(zhì)存在的地位（位置）及它的廣延性（大小）；時(shí)間反映了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的持續(xù)性（長(zhǎng)短）和順序性（狀態(tài)先后）?！痹摗岸x”最科學(xué)地反映了“時(shí)間”“空間”概念的本質(zhì)。作為基本概念的物理量，還應(yīng)人為規(guī)定它們的單位?！懊住保涸瓉?lái)規(guī)定通過(guò)巴黎子午線的四千萬(wàn)分之一為1米。1983年國(guó)際計(jì)量大會(huì)從穩(wěn)定性考慮（可準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)），最新規(guī)定為“米是光在真空中1／299792458秒內(nèi)所經(jīng)過(guò)的距離”?！懊搿保鹤钤缡且曰诘厍蜃赞D(zhuǎn)的“平太陽(yáng)日”來(lái)規(guī)定的。一個(gè)“平太陽(yáng)日”的1／86400為1秒。1967年國(guó)際計(jì)量大會(huì)更改為：“位于海平面上銫-133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間在零磁場(chǎng)中的躍遷周期T與1秒的關(guān)系為：1秒=9192631770T?！币磺谢靖拍钗锢砹康膯挝欢际腔趯?shí)驗(yàn)的人為規(guī)定。從可以“準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)”考慮，隨實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平的提高，單位規(guī)定的更改是必然的。當(dāng)然這必須國(guó)際上做統(tǒng)一規(guī)定才能生效。應(yīng)該明確指出恩格斯基于自然科學(xué)成果得出的辯證唯物主義時(shí)空觀雖“源于”自然科學(xué)，但卻“高于”自然科學(xué)的認(rèn)識(shí)。這里的“高于”二字，并非指哲學(xué)的認(rèn)識(shí)超越自然科學(xué)的認(rèn)識(shí)，而是指從實(shí)踐中得到的正確的（即科學(xué)的）抽象。辯證唯物主義時(shí)空觀汲取了當(dāng)時(shí)經(jīng)典物理時(shí)空觀中唯物主義的合理部分，拋棄了其形而上學(xué)的內(nèi)容，突出了辯證法因素。以后的物理學(xué)發(fā)展表朋，恩格斯關(guān)于時(shí)空觀的論斷至今也沒(méi)有過(guò)時(shí)，而且物理學(xué)的發(fā)展又在不斷豐富和發(fā)展這一認(rèn)識(shí)，對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)時(shí)空觀的研究仍然具有指導(dǎo)意義。辯證唯物主義時(shí)空觀是對(duì)自然科學(xué)（尤其是物理學(xué)）時(shí)空觀的概括和總結(jié)。它來(lái)自于自然科學(xué)，又隨自然科學(xué)的發(fā)展而不斷豐富其基本觀點(diǎn)。物理學(xué)時(shí)空觀與哲學(xué)時(shí)空的主要區(qū)別是其帶有明顯的“相對(duì)性”。即隨著物質(zhì)分布層次的深入（宏觀到微觀）或拓展（宏觀到宇觀）以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變（由低速到高速運(yùn)動(dòng)），物理時(shí)空觀必定不斷進(jìn)行變革，越來(lái)越反映實(shí)際。但每一相應(yīng)的時(shí)空觀都有其適用范圍（局限性）。物理學(xué)時(shí)空觀的進(jìn)展不斷豐富和發(fā)展著哲學(xué)時(shí)空觀的基本觀點(diǎn)。時(shí)間和空間作為物理學(xué)的基本量，應(yīng)有其“定性定義”和“定量定義”，這在物理學(xué)時(shí)空觀進(jìn)展的不同階段，其內(nèi)容是有區(qū)別的。下面主要從反映時(shí)空概念本質(zhì)的“定性定義”方面闡述物理時(shí)空觀的進(jìn)展情況。時(shí)空觀對(duì)物理學(xué)研究的重要意義甚至可以這樣說(shuō)：時(shí)空觀的變革才是科學(xué)理論重大變革的基本標(biāo)志。物理學(xué)研究的發(fā)展表明，科學(xué)理論的重大變革往往以時(shí)空觀為突破口，并伴隨新時(shí)空觀的產(chǎn)生。一、物理學(xué)的舊時(shí)空觀創(chuàng)立物理學(xué)舊時(shí)空觀的主要代表人物是古希臘的哲學(xué)家亞里士多德（Aristoteles，公元前384—322年）和古希臘天文學(xué)家、地理學(xué)家托勒密（C．Ptolgme公元90—168年）。這一時(shí)空觀在歷史上從公元前三世紀(jì)至公元14世紀(jì)，延續(xù)了一千五百多年，直到歐洲文藝復(fù)興時(shí)期以前。舊時(shí)空觀以前的古代時(shí)空觀是“天圓地方”的“蓋天說(shuō)”——一種宇宙有限論。但沒(méi)有擺脫神學(xué)的影響，認(rèn)為宇宙之外是上帝的棲身之地，宇宙是由上帝創(chuàng)造的。舊時(shí)空觀的形成，卻更多地來(lái)自于對(duì)一些實(shí)際觀測(cè)的解釋。而且是歷史上第一次企圖從客觀上給予宇宙一個(gè)統(tǒng)一體系的認(rèn)識(shí)。因此，它具有樸素的唯物主義思想（雖然并沒(méi)有完全擺脫神學(xué)的影響）。舊時(shí)空觀的主要觀點(diǎn)反映在“地球是宇宙中心”的“地心說(shuō)”中，到托勒密時(shí)期，它已形成了較完整的宇宙結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)。“地心說(shuō)”的主要內(nèi)容是：地球是圓球形的。它位于宇宙中心不動(dòng)。宇宙是封閉的。由球面天幕（天球）包圍著。天幕內(nèi)充滿空氣、土、水、火及天體物質(zhì)。日、月、行星（當(dāng)時(shí)只知有五顆行星）位于地球與天幕邊界之間，它們都圍繞地球以圓形軌道旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)越快的天體離地球越近的原則，排列了它們的順序（即月球、水星、金星，太陽(yáng)、火星、土星，其他恒星天體）。而遠(yuǎn)離地球的宇宙最外層是神靈居住的極樂(lè)天堂。雖然，“地心說(shuō)”認(rèn)為物體的運(yùn)動(dòng)為神力所驅(qū)使，但對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的具體解釋，卻力圖從物質(zhì)本身去尋找原因。這是具有樸素的唯物主義思想的，從而它有一定的科學(xué)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。例如，它認(rèn)為物體具有尋找自然歸宿的普遍特性。物體運(yùn)動(dòng)的原因是“它們還沒(méi)有達(dá)到各自的天然位置”。以月球?yàn)榻?，宇宙分為兩部分：“月上”的物體其天然位置在天球上，因而它們均隨天球作圓運(yùn)動(dòng)；“月下”的物體天然位置在地球中心，因此它們都作落體運(yùn)動(dòng)，物體愈重，下落愈快。物質(zhì)中較密集的部分盡可能地接近宇宙中心，所以造成了球形的地球。從而也使古代時(shí)空觀中的“上”“下”絕對(duì)觀念失去了意義。這是造成宇宙中物質(zhì)分布不均勻，形成中心對(duì)稱宇宙的原因。盡管這種解釋今日看來(lái)并非正確，但卻是歷史上第一次從物質(zhì)本身去尋找物質(zhì)運(yùn)動(dòng)原因的嘗試。它能夠在當(dāng)時(shí)解釋地球附近物體的落體運(yùn)動(dòng)。尤其對(duì)行星運(yùn)動(dòng)作了許多精確的說(shuō)明。如很好地預(yù)測(cè)行星方位等等。在航海、天文、歷法及生產(chǎn)實(shí)踐中起了很重要的作用。其成果被沿用一千多年。“地心說(shuō)”在實(shí)踐中的應(yīng)用，說(shuō)明這一理論本身基本上是唯物的，是在一定程度上反映了客觀實(shí)際，是人類認(rèn)識(shí)史上的一大飛躍，是物理時(shí)空觀的重大發(fā)展。但是，由于歷史的局限性，“地心說(shuō)”本身存在許多不符合實(shí)際的錯(cuò)誤結(jié)論。如認(rèn)為地球不動(dòng)，承認(rèn)有絕對(duì)靜止的存在；認(rèn)為地球有處于宇宙中心的特殊地位，承認(rèn)宇宙有中心；認(rèn)為圓運(yùn)動(dòng)是宇宙中天體最完美的運(yùn)動(dòng)。這既忽視了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜多樣性，也忽視了從物質(zhì)相互作用的角度去尋求運(yùn)動(dòng)軌道的動(dòng)力學(xué)原因。沒(méi)有將“從物質(zhì)本身尋找原因”這一思想貫徹到底……。正由于該理論本身的缺陷，在托勒密死后約一千多年時(shí)，托馬斯·阿奎那（T·Aguinas．1226—1274）將“地心說(shuō)”與神學(xué)結(jié)合成一體，為宗教神學(xué)所利用。地球在宇宙中的特殊地位為宗教神學(xué)的上帝創(chuàng)世說(shuō)找到了“科學(xué)根據(jù)”。神的力量支配時(shí)空，支配天上及世俗的一切。他們抹殺了“地心說(shuō)”原有的科學(xué)道理和方法，反而將“地心說(shuō)”變成壓抑、禁錮人們繼續(xù)探索自然奧秘的枷鎖。誰(shuí)反對(duì)“地心說(shuō)”，就是反對(duì)“上帝”，就是異端邪說(shuō)?！暗匦恼f(shuō)”完全被唯心主義者利用了。但是，應(yīng)該明確指出，“地心說(shuō)”被宗教神學(xué)利用，那是托勒密死后一千多年時(shí)的事。因此不能否定“地心說(shuō)”原有的樸素的唯物主義的內(nèi)容。籠統(tǒng)地將“地心說(shuō)”本身說(shuō)成是唯心主義的，是不符合客觀實(shí)際的。以“地心說(shuō)”為代表的舊時(shí)空觀的主要觀點(diǎn)是：1．承認(rèn)時(shí)間、空間是客觀存在的。“地心說(shuō)”雖承認(rèn)“神靈”的存在，但并沒(méi)有說(shuō)神靈在支配時(shí)空，而是力圖從物質(zhì)本身去尋求運(yùn)動(dòng)的原因，沒(méi)有讓時(shí)空觀念帶上唯心主義的色彩。2．在空間概念中，正確的認(rèn)識(shí)到“上”“下”觀念是相對(duì)的。但是，它的宇宙空間卻是有限的，是有中心的。3．承認(rèn)時(shí)間的無(wú)限性。因?yàn)樗辽俪姓J(rèn)了天體圓運(yùn)動(dòng)的永恒性。但沒(méi)有說(shuō)明宇宙有無(wú)起源，即時(shí)間有無(wú)起點(diǎn)的問(wèn)題。（被宗教神學(xué)利用后，強(qiáng)加于“地心說(shuō)”的時(shí)間起點(diǎn)是神創(chuàng)宇宙之時(shí)。這并非“地心說(shuō)”原來(lái)的觀點(diǎn)。）“地心說(shuō)”中沒(méi)有明確說(shuō)明時(shí)間、空間二者的關(guān)系，以及時(shí)空與物質(zhì)的關(guān)系；更沒(méi)有說(shuō)明時(shí)空與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。二、物理學(xué)的經(jīng)典時(shí)空觀創(chuàng)立物理學(xué)經(jīng)典時(shí)空觀的主要代表人物是波蘭天文學(xué)家哥白尼（N·Copernicus．1473—1543）、意大利數(shù)學(xué)家和力學(xué)家伽利略（G·Galilei．1564—1642）以及英國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家牛頓（I·Newton．1642—1727）。而牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀是經(jīng)典時(shí)空觀的集中反映。這一時(shí)空觀從公元14世紀(jì)一直延續(xù)到19世紀(jì)末、20世紀(jì)初（狹義相對(duì)論建立之前）。1．哥白尼的主要貢獻(xiàn)。是將對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)由“太陽(yáng)中心說(shuō)”代替了“地球中心說(shuō)”。理論上的這一變更，從物理學(xué)中運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度說(shuō)，不過(guò)是對(duì)太陽(yáng)系內(nèi)行星運(yùn)動(dòng)描寫時(shí)，參照系的一個(gè)變更（將參照系由地球移向了太陽(yáng)），從而對(duì)太陽(yáng)系內(nèi)行星運(yùn)動(dòng)的描寫極為簡(jiǎn)單。按哥白尼的描述，各行星均繞太陽(yáng)沿不同的圓形軌道運(yùn)動(dòng)。擺脫了“地心說(shuō)”中“均輪”、“本輪”那一套復(fù)雜的描述。所以只從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度，還看不出“日心說(shuō)”比“地心說(shuō)”本質(zhì)上的優(yōu)越性。然而，哥白尼并不把理論描述的簡(jiǎn)單性只視為一種處理上的技巧問(wèn)題。他認(rèn)為理論描述中的數(shù)學(xué)表達(dá)愈簡(jiǎn)單，就愈接近自然的真實(shí)解釋。這一次的事實(shí)正是這樣?！叭招恼f(shuō)”的確是一次重大的革命?！叭招恼f(shuō)”顯示了以太陽(yáng)為慣性系描述太陽(yáng)系內(nèi)行星運(yùn)動(dòng)的優(yōu)越性，從而展現(xiàn)了宇宙的這一層次——太陽(yáng)系結(jié)構(gòu)的本來(lái)面目，也為牛頓在動(dòng)力學(xué)方面的研究（萬(wàn)有引力定律及牛頓定律的發(fā)現(xiàn)）鋪平了道路。所以，從物理學(xué)的動(dòng)力學(xué)角度說(shuō)，“日心說(shuō)”比“地心說(shuō)”有本質(zhì)上的區(qū)別?！叭招恼f(shuō)”把地球降到了一般行星的地位。這沖擊了宗教神學(xué)，但為自然科學(xué)的發(fā)展擺脫神學(xué)的束縛開(kāi)辟了道路?！叭招恼f(shuō)”的缺點(diǎn)是：仍然是宇宙中心論。并承認(rèn)太陽(yáng)的絕對(duì)靜止；行星運(yùn)動(dòng)仍沿用了圓形軌道的說(shuō)法；限于當(dāng)時(shí)的觀測(cè)及認(rèn)識(shí)，認(rèn)為恒星不動(dòng)。2．伽利略的主要貢獻(xiàn)是：(1)通過(guò)望遠(yuǎn)鏡的觀察，看到太陽(yáng)系內(nèi)結(jié)構(gòu)的一些細(xì)節(jié)。進(jìn)一步說(shuō)明了太陽(yáng)系內(nèi)部結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性。但仍未擺脫行星圓形軌道的傳統(tǒng)觀念。(2)利用笛卡兒坐標(biāo)系這一數(shù)學(xué)工具，給出了關(guān)于距離（與空間概念有關(guān)）和時(shí)間概念的確切的數(shù)學(xué)形式。明確說(shuō)明真實(shí)空間的三維性和時(shí)間的一維性。與太陽(yáng)中心相連結(jié)的坐標(biāo)系被公認(rèn)稱為伽利略坐標(biāo)系。(3)提出了伽利略相對(duì)性原理：“力學(xué)定律在所有慣性系中都相同?！币约皩?duì)這一原理的數(shù)學(xué)補(bǔ)充——伽利略變換，即兩個(gè)慣性系間時(shí)間和空間坐標(biāo)的變換式。這里，集中體現(xiàn)了經(jīng)典物理學(xué)的時(shí)空觀。牛頓繼承了這一觀點(diǎn)，并給出完整的表述。(4)提出了慣性定律。為牛頓創(chuàng)立力學(xué)的動(dòng)力學(xué)理論打下了基礎(chǔ)。他指出了亞里士多德的錯(cuò)誤，力并非是物體運(yùn)動(dòng)（速度）的原因。而是物體運(yùn)動(dòng)變化（加速度）的原因。從而也科學(xué)地解釋了“日心說(shuō)”中行星的運(yùn)動(dòng)和地球表面上物體的落體運(yùn)動(dòng)。愛(ài)因斯坦對(duì)伽利略的工作給予了極高的評(píng)價(jià)：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開(kāi)端。”3．牛頓在前人大量工作的基礎(chǔ)上，以其縝密的理論思維和深厚的數(shù)學(xué)功底，定量地、完整地建立了經(jīng)典力學(xué)的理論體系，為整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。牛頓繼承了伽利略相對(duì)性原理及伽利略變換的思想，并完整地?cái)⑹隽私^對(duì)時(shí)空觀。在開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律的基礎(chǔ)上（已正確地觀察到行星運(yùn)動(dòng)的橢圓軌道），發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律。在伽利略慣性定律的基礎(chǔ)上，又建立了動(dòng)力學(xué)的牛頓三定律。以上這些基本規(guī)律都是大量實(shí)驗(yàn)的總結(jié)。它們?cè)谂ｎD力學(xué)體系中均處于基本原理的地位。而且可以嚴(yán)格證明：按伽利略變換，牛頓定律完全滿足伽利略相對(duì)性原理的要求。即三者完全協(xié)同一致。因此伽利略變換反映的時(shí)空觀，完全集中體現(xiàn)了經(jīng)典物理學(xué)的時(shí)空觀。伽利略變換是兩個(gè)慣性系描寫同一物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)間和空間坐標(biāo)的變換式。體現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)描寫的相對(duì)性。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，設(shè)S＇相對(duì)于S系以速度v只沿x軸方向作勻速直線運(yùn)動(dòng)（圖1），且靜止于S＇系的鐘及靜止于S系的鐘讀數(shù)均為零的時(shí)刻，S系和S＇系的原點(diǎn)重合。則同一物體任一時(shí)刻坐標(biāo)（x、y、z、t）與（x＇、y＇、z＇、t＇）之間的變換關(guān)系為：以牛頓的觀點(diǎn)為代表的經(jīng)典時(shí)空觀的主要觀點(diǎn)是：(1)承認(rèn)時(shí)間、空間的客觀存在。牛頓說(shuō)：“絕對(duì)空間，因其本身性質(zhì)，是與任何外界事物無(wú)關(guān)的，永遠(yuǎn)保持相同的和不動(dòng)的?！笔侨菁{物體的容器。又說(shuō)：“絕對(duì)的、真正的或數(shù)學(xué)的時(shí)間本身，由于其內(nèi)在性質(zhì)而均勻地、與任何外界事物無(wú)關(guān)地流逝著。”是容納事件的容器。空間、時(shí)間脫離物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)而客觀存在。因此，經(jīng)典時(shí)空觀從哲學(xué)上基本上屬于唯物的觀點(diǎn)。當(dāng)然這是不徹底的，例如他后來(lái)提出的上帝對(duì)宇宙的“第一次推動(dòng)”。但一般來(lái)說(shuō)，物理學(xué)的時(shí)空觀所以在相應(yīng)的時(shí)代，還能夠反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，其原因是基本上唯物地反映了物質(zhì)某一層次的真實(shí)情況。(2)絕對(duì)（即形而上學(xué)）時(shí)空觀。①時(shí)間和空間與物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。時(shí)間坐標(biāo)系和空間坐標(biāo)系是完全脫離物質(zhì)而獨(dú)立存在的。坐標(biāo)軸上的標(biāo)度即間隔與慣性系的選擇無(wú)關(guān)。由伽利略變換易導(dǎo)出：說(shuō)明時(shí)間間隔和空間間隔在不同的坐標(biāo)系中保持不變。即時(shí)間、空間觀念與物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。②時(shí)間空間彼此無(wú)關(guān)，各自獨(dú)立存在。這表現(xiàn)在時(shí)間坐標(biāo)系與空間坐標(biāo)系可以分離，各自獨(dú)立存在。雖可配合共同描寫物體的運(yùn)動(dòng)（如運(yùn)動(dòng)方程，表現(xiàn)為空間坐標(biāo)與時(shí)間坐標(biāo)的關(guān)系）。但二者并無(wú)內(nèi)在的必然聯(lián)系。③經(jīng)典時(shí)空結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：a．時(shí)間結(jié)構(gòu)。一維性；單向性（這是熱力學(xué)第二定律不可逆過(guò)程概念的貢獻(xiàn)，反映了事物發(fā)展因果律的要求）;時(shí)間的均勻性（即△t＇=△t反映出來(lái)，時(shí)間間隔的不變性）；同時(shí)性概念的絕對(duì)性（由伽氏變換易于看出。在S系內(nèi)不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的事件即△t=0，必然△t＇也等于0。說(shuō)明在S＇系看也是同時(shí)發(fā)生的。這來(lái)自于牛頓的“超距作用”觀點(diǎn)）；時(shí)間是有起點(diǎn)的（上帝對(duì)宇宙的“第一次推動(dòng)”）；但時(shí)間的發(fā)展是無(wú)限的。即時(shí)間是有始無(wú)終的、具有單向的無(wú)限性。b．空間結(jié)構(gòu)。三維性；空間的均勻性和各向同性（即伽氏變換中△x＇=△x、△y＇=△y、△z＇=△z，所以空間間隔具有不變性）；空間的無(wú)限性（大至無(wú)限；小至無(wú)限可分——基于牛頓提出的“質(zhì)點(diǎn)”理想模型）。這種時(shí)空結(jié)構(gòu)是均勻的、平直的，在數(shù)學(xué)上可用歐幾里德幾何學(xué)描寫。時(shí)間的“均勻性”和空間的“均勻性”、“各向同性”性可以概括為“時(shí)空對(duì)稱性原理”。這實(shí)質(zhì)上是“宇宙無(wú)中心”的另一表述。這是基于“物理規(guī)律在不同時(shí)刻，在空間不同點(diǎn)是等價(jià)的”經(jīng)驗(yàn)提出的。可以嚴(yán)格證明：時(shí)間均勻性將導(dǎo)致有能量守恒定律的存在；空間均勻性將導(dǎo)致有動(dòng)量守恒定律的存在；空間的各向同性將導(dǎo)致角動(dòng)量守恒定律的存在。這三個(gè)守恒定律的存在已被大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)所證實(shí)，而且還超出了宏觀低速領(lǐng)域。至今還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)?zāi)芡品@三條守恒定律的存在。也就是說(shuō)，在我們至今研究的時(shí)空領(lǐng)域內(nèi)，還認(rèn)為時(shí)空對(duì)稱性原理是正確的。經(jīng)典時(shí)空觀已經(jīng)拋棄了舊時(shí)空觀的“宇宙中心論”，這是很大的進(jìn)步。伽利略相對(duì)性原理已經(jīng)明確指出，對(duì)力學(xué)規(guī)律慣性系之間都是等價(jià)的，沒(méi)有特殊的時(shí)空存在（“宇宙中心”就是一種特殊的時(shí)空）。由于慣性系概念是理想的，所以在某種研究的場(chǎng)合，有慣性系近似程度的選擇優(yōu)劣問(wèn)題。因?yàn)閼T性系選擇的好，才能使經(jīng)典理論適用。在地球附近的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，地球?yàn)閼T性系已足夠好；研究太陽(yáng)系內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，地球已不能看為慣性系。應(yīng)選擇太陽(yáng)為慣性系；在更大尺度上，慣性系近似程度還須提高，如過(guò)渡到銀河系中心，微波背景輻射……這些并非意味“宇宙中心”的轉(zhuǎn)移，而只是慣性系選擇的轉(zhuǎn)移。時(shí)、空的均勻性、空間的各向同性并不改變。值得提出的是，在牛頓的頭腦中仍堅(jiān)信絕對(duì)靜止的空間——一種特殊的慣性系，特殊的空間存在。有人并提出宇宙中存在著“以太”，將它作為絕對(duì)靜止空間的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，這些想法不但不能為經(jīng)典物理理論證明，而且后來(lái)為近代物理的發(fā)展所推翻（如“以太”的否定，“相對(duì)性原理”的推廣等）。經(jīng)典時(shí)空觀的近似性，是與經(jīng)典物理理論的適用范圍有關(guān)的。它是在物質(zhì)平均密度?。ɑ蛞?chǎng)弱）的區(qū)域（注：這是慣性系條件的要求）。宏觀物體作低速運(yùn)動(dòng)時(shí)（指運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速c）的時(shí)空特征的反映，它是近代時(shí)空觀在這一物質(zhì)層次的近似反映，具有相對(duì)真理性。近代物理學(xué)的近代時(shí)空觀按照具體學(xué)科分別敘述：包括狹義相對(duì)論、廣義相對(duì)論、量子理論（量子力學(xué)、量子場(chǎng)論）、現(xiàn)代宇宙學(xué)（屬于廣義相對(duì)論及量子理論的應(yīng)用）的時(shí)空觀。三、狹義相對(duì)論的時(shí)空觀狹義相對(duì)論是愛(ài)因斯坦（A．Einstein．1879—1955）創(chuàng)立的。是在19世紀(jì)末經(jīng)典物理學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)發(fā)生尖銳矛盾時(shí)，愛(ài)因斯坦對(duì)經(jīng)典理論進(jìn)行變革產(chǎn)生的。首先是狹義相對(duì)論。而后又推廣為廣義相對(duì)論，這是一種全新的關(guān)于宏觀物質(zhì)的物理理論。而這種變革首先是從否定經(jīng)典時(shí)空觀中“同時(shí)性的絕對(duì)性”入手的。狹義相對(duì)論的適用范圍是：在慣性參考系中宏觀物質(zhì)的高速運(yùn)動(dòng)。所以其時(shí)空觀是在物質(zhì)平均密度?。ɑ蛞?chǎng)弱）的區(qū)域，宏觀物體作高速運(yùn)動(dòng)時(shí)時(shí)空特征的反映。由于“高速”與“低速”不同，量變會(huì)產(chǎn)生質(zhì)變。所以狹義相對(duì)論時(shí)空觀與經(jīng)典時(shí)空觀會(huì)有質(zhì)的不同。又由于“高速”包含“低速”，所以經(jīng)典時(shí)空觀不過(guò)是狹義相對(duì)論時(shí)空觀的在物體速度v<<c時(shí)的極限情況。狹義相對(duì)論理論系統(tǒng)的基本原理是“光速不變?cè)怼焙汀蔼M義相對(duì)性原理”。由它們可以導(dǎo)出物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)兩個(gè)慣性系間的時(shí)間和空間坐標(biāo)變換式——洛侖茲變換。該變換式集中體現(xiàn)了狹義相對(duì)論的時(shí)空觀。狹義相對(duì)論時(shí)空觀的內(nèi)容可以分為三個(gè)方面：1．繼承了經(jīng)典時(shí)空觀中某些觀點(diǎn)。如在時(shí)間、空間的客觀性上；時(shí)間的一維性和單向無(wú)限性上（時(shí)間的起始問(wèn)題未談及）；空間的三維性和無(wú)限性上以及時(shí)空結(jié)構(gòu)的均勻性、平直性上（即時(shí)空觀念與物質(zhì)無(wú)關(guān)），仍堅(jiān)持了原經(jīng)典理論的觀點(diǎn)。2．發(fā)展了“宇宙無(wú)中心”的觀點(diǎn)（即仍堅(jiān)持了“時(shí)空對(duì)稱性原理”）。狹義相對(duì)論推廣了伽利略相對(duì)性原理：對(duì)一切物理學(xué)規(guī)律慣性系之間等價(jià)。以全部物理學(xué)規(guī)律證明，不存在一個(gè)絕對(duì)靜止的慣性系，即不存在一個(gè)特殊的時(shí)空。發(fā)展了“宇宙無(wú)中心”的觀點(diǎn)。3．狹義相對(duì)論的主要貢獻(xiàn)是否定了經(jīng)典理論的絕對(duì)時(shí)空觀，建立了一種相對(duì)時(shí)空觀。首先介紹一下洛侖茲變換（慣性系S和S＇的關(guān)系與伽利略變換時(shí)相同）。其坐標(biāo)變換關(guān)系為：(1)時(shí)間、空間觀念均與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。①“同時(shí)性概念是相對(duì)的”。由“光速不變?cè)怼?，通過(guò)“愛(ài)因斯坦火車”的理想實(shí)驗(yàn)，可以得到，不同地點(diǎn)兩個(gè)事件的同時(shí)性與慣性坐標(biāo)系選擇有關(guān)。不同慣性系間區(qū)別只在于運(yùn)動(dòng)速度不同。所以“同時(shí)性”概念與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。這一點(diǎn)也可以從洛侖茲變換中得出：由④式易得：對(duì)S系中兩個(gè)事件若是同時(shí)的，則t2=t1。這時(shí)，即S＇系中看，兩個(gè)事件不是同時(shí)的。②“時(shí)間間隔是相對(duì)的”。由洛侖茲變換④式，對(duì)同一地點(diǎn)x可以導(dǎo)出可見(jiàn)△t＇＞△t，即運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢。這種現(xiàn)象只有在物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)才明顯可以觀察到。例如μ介子半衰期變長(zhǎng)，高速運(yùn)動(dòng)的氫原子輻射頻率降低（或波長(zhǎng)變長(zhǎng)——“紅移”）等實(shí)驗(yàn)充分證明了這一結(jié)論。③“空間間隔是相對(duì)的?！庇陕鍋銎澴儞Q①式，對(duì)同一時(shí)刻t可以導(dǎo)出注意這里△x＇為靜止于S＇系內(nèi)的尺長(zhǎng)。△x為S系觀察者看到的同一個(gè)尺運(yùn)動(dòng)的尺長(zhǎng)。由于△x＜△x＇，所以有“運(yùn)動(dòng)尺縮短”或“運(yùn)動(dòng)方向上長(zhǎng)度收縮”的結(jié)論。這種現(xiàn)象在物體低速運(yùn)動(dòng)時(shí)很不明顯。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，普通長(zhǎng)度的卡車，當(dāng)以v=40km／h行駛時(shí)，約只縮短一個(gè)原子直徑；火箭比汽車速度大很多，但仍屬低速，如其長(zhǎng)度為100m，v=16200km／h，也只縮短1／100mm。但當(dāng)其速度大到v=0.8c時(shí)，經(jīng)計(jì)算可知其長(zhǎng)度將縮短40m。1959年，戴勒爾（J．Terrell）指出，一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)物體的視覺(jué)形象并非僅由“洛侖茲收縮”效應(yīng)決定。當(dāng)考慮了光學(xué)效應(yīng)對(duì)人眼引起的畸變之后，我們實(shí)際上只能看到物體轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)與相對(duì)速度有關(guān)角度的形象，如圖②所示。(2)時(shí)間空間彼此密切相關(guān)，“時(shí)—空”整體為物質(zhì)存在的形式。這可以由狹義相對(duì)論時(shí)空的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)明。此時(shí)，時(shí)間坐標(biāo)軸（ict）與空間坐標(biāo)軸（x，y，z）想象地彼此垂直，構(gòu)成統(tǒng)一的四維時(shí)空（一種數(shù)學(xué)上的空間），稱為閔可夫斯基世界。由于時(shí)空結(jié)構(gòu)的均勻性和平直性，所以歐幾里德幾何學(xué)仍成立；但由于四維時(shí)空是非真實(shí)的空間，故稱為在數(shù)學(xué)上“以贗歐幾里德幾何學(xué)處理”。在四維時(shí)空中，物體某一運(yùn)動(dòng)用一段四維矢量代表，其長(zhǎng)度為ds。四維矢量在四個(gè)坐標(biāo)軸上的投影即表示時(shí)間間隔cdt和空間間隔dx，dy，dz，它們的關(guān)系是ds2=dx2+dy2+dz2-c2dt2當(dāng)選擇另一慣性系時(shí)（須進(jìn)行洛侖茲變換），相當(dāng)于整個(gè)坐標(biāo)系繞原點(diǎn)的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。顯然，該轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)改變運(yùn)動(dòng)的客觀性，即ds為恒量。稱為四維時(shí)空間隔的不變性。但四個(gè)投影均可以發(fā)生改變，它們滿足ds2=dx＇2+dy＇2+dz＇2-c2dt＇2這說(shuō)明即使參考系改變引起了時(shí)間、空間間隔均發(fā)生變化（體現(xiàn)為時(shí)空觀念的相對(duì)性）。但這種改變?nèi)杂蒬s不變性限制而緊密相連。即物質(zhì)運(yùn)動(dòng)本身內(nèi)在地要求時(shí)間空間的緊密聯(lián)系，“時(shí)—空”整體為物質(zhì)存在的形式。時(shí)間、空間觀念與物質(zhì)本身的關(guān)系，狹義相對(duì)論未論及。原因是在物質(zhì)密度?。ㄒ?chǎng)弱）區(qū)域，這種“相對(duì)性”不明顯，這將在廣義相對(duì)論中補(bǔ)充。20世紀(jì)初狹義相對(duì)論的巨大成就和量子理論的萌生對(duì)經(jīng)典時(shí)空觀中的形而上學(xué)觀念以強(qiáng)大的沖擊。一些物理學(xué)家和哲學(xué)家固守原有的形而上學(xué)時(shí)空觀念，不能理解新的自然科學(xué)成果的重要哲學(xué)意義，反而針對(duì)狹義相對(duì)論中時(shí)間、空間觀念相對(duì)于運(yùn)動(dòng)的可變性，認(rèn)為新的科學(xué)成果反而推翻了時(shí)間空間的客觀實(shí)在性；針對(duì)放射性現(xiàn)象及電子的發(fā)現(xiàn)，反而認(rèn)為“物質(zhì)消失了”，“唯物主義破產(chǎn)了”。在時(shí)空觀方面，列寧針對(duì)電子的發(fā)現(xiàn)等物理學(xué)成果，指出：這只說(shuō)明原來(lái)人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)所達(dá)到的那個(gè)界限消失了，說(shuō)明物質(zhì)的具體形態(tài)和層次是可變的。這種“可變性”沒(méi)有否定物質(zhì)的客觀實(shí)在性。恰好說(shuō)明是“物質(zhì)具體形態(tài)千變?nèi)f化”的客觀實(shí)在性。列寧進(jìn)一步提出“電子也是不可窮盡”的預(yù)言。現(xiàn)已被近代物理學(xué)證明，電子等基本粒子均應(yīng)有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。列寧捍衛(wèi)和發(fā)展了辯證唯物主義關(guān)于“時(shí)間、空間可以無(wú)限分割”的觀點(diǎn)。堅(jiān)持了辯證法的唯物主義。而能分割到哪一物質(zhì)層次卻是由當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件、水平?jīng)Q定的。針對(duì)相對(duì)論的“相對(duì)的時(shí)空觀”，列寧指出：“人類的時(shí)空觀念的可變性也沒(méi)有推翻空間和時(shí)間的客觀實(shí)在性”。這里，指出了物理學(xué)時(shí)空觀與哲學(xué)時(shí)空觀的區(qū)別。物理學(xué)時(shí)空觀總會(huì)隨著物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)的深入研究而改變。但這種改變決不會(huì)否定哲學(xué)上的時(shí)空觀：時(shí)空作為物質(zhì)存在形式的客觀實(shí)在性。應(yīng)該指出：列寧在時(shí)空觀上的辯證認(rèn)識(shí)：“時(shí)空的無(wú)限分割”及“物理學(xué)時(shí)空觀的可變性”，在今天仍具有重要的指導(dǎo)意義。為使經(jīng)典力學(xué)對(duì)洛氏變換具有不變性。就必須修改牛頓定律而代之為相對(duì)論動(dòng)力學(xué)。例如，考慮m與t有關(guān)，則牛頓第二定律可表為：在v<<c或v／c→0的極限情況下，自然得到經(jīng)典力學(xué)F=m0a的結(jié)果；洛侖茲變換也自然過(guò)渡到伽利略變換。這樣，經(jīng)典理論、經(jīng)典時(shí)空觀均為相對(duì)論理論及其時(shí)空觀在低速（v<<c）情況下的近似，由此也說(shuō)明了新理論的成功。新舊理論的這種關(guān)系，在物理學(xué)方法論中稱為“對(duì)應(yīng)原理”。四、廣義相對(duì)論的時(shí)空觀及其在現(xiàn)代宇宙學(xué)中的表現(xiàn)愛(ài)因斯坦于1915年又將適用于慣性系的狹義相對(duì)論進(jìn)一步發(fā)展，創(chuàng)立了適用于非慣性系的廣義相對(duì)論。物理學(xué)理論指出，慣性系不過(guò)是一種理想狀況，它只在宇宙中一個(gè)小范圍內(nèi)近似存在（所謂的“局部慣性系”）。更廣泛的情況是人們站在非慣性系處理問(wèn)題。慣性系不過(guò)是非慣性系的特例。從另一角度講，非慣性系相當(dāng)于物質(zhì)平均密度大（或引力場(chǎng)強(qiáng)）的區(qū)域。顯然包括經(jīng)典理論的物質(zhì)平均密度小（或引力場(chǎng)弱）的情況。所以，廣義相對(duì)論的適用范圍是：非慣性參考系中宏觀物質(zhì)的高速運(yùn)動(dòng)。其時(shí)空觀是在物質(zhì)平均密度大（或引力場(chǎng)強(qiáng)）的區(qū)域，宏觀物體作高速運(yùn)動(dòng)時(shí)時(shí)空特征的反映。廣義相對(duì)論又進(jìn)一步發(fā)展了狹義相對(duì)論的時(shí)空觀。尤其在時(shí)空與物質(zhì)的關(guān)系上做了重要補(bǔ)充。進(jìn)一步豐富了辯證唯物主義時(shí)空觀。（一）廣義相對(duì)論對(duì)時(shí)空觀的主要補(bǔ)充如下1．又進(jìn)一步發(fā)展了“宇宙無(wú)中心”的觀點(diǎn)。愛(ài)因斯坦基于慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等的一些事實(shí)，提出非慣性系與引力場(chǎng)等效的“等效原理”假設(shè)。從而可以將非慣性系問(wèn)題轉(zhuǎn)化為熟知的慣性系問(wèn)題處理。于是可以把狹義相對(duì)性原理進(jìn)一步推廣到任意參考系，導(dǎo)致廣義相對(duì)性原理的提出：一切物理規(guī)律在任意參考系間等價(jià)。這說(shuō)明了物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律（以數(shù)學(xué)形式表述）的絕對(duì)性。它不因人們的觀察角度（即參考系選擇）而改變（在哲學(xué)上可以說(shuō)這是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)絕對(duì)性的一種表現(xiàn)）；也更廣泛地說(shuō)明了宇宙中沒(méi)有特殊的時(shí)空存在，進(jìn)一步否定了經(jīng)典理論中“絕對(duì)靜止時(shí)空”的存在。這時(shí)，代替洛侖茲變換的將是廣義坐標(biāo)變換（坐標(biāo)的一種非線性變換）。2．補(bǔ)充了時(shí)空觀念還依賴于物質(zhì)分布的“相對(duì)性”。將廣義相對(duì)性原理（其數(shù)學(xué)形式是廣義協(xié)變?cè)恚┡c最小作用原理結(jié)合，可以導(dǎo)出宇宙中的引力場(chǎng)方程。從中可以看出時(shí)間、空間性質(zhì)與物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)的具體的相互依賴關(guān)系。極大地豐富了辯證唯物主義關(guān)于“時(shí)間和空間是運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)的存在形式”的論斷。左方：Gμv引力張量。（其中Rμv黎曼曲率張量，gμv時(shí)空度規(guī)張量，R為宇宙半徑。）它顯示了時(shí)空結(jié)構(gòu)的黎曼幾何學(xué)特征。右方：Tμv物質(zhì)的能量動(dòng)量張量。顯示了物質(zhì)分布及其運(yùn)動(dòng)的特征。K為耦合系數(shù)（G為萬(wàn)有引力常數(shù)，c為真空中光速）。3．補(bǔ)充了時(shí)空結(jié)構(gòu)與物質(zhì)分布的關(guān)系。物質(zhì)密度越大的區(qū)域，統(tǒng)一時(shí)空彎曲的曲率越大（這表現(xiàn)為空間越彎曲；時(shí)間流逝越慢）。所以時(shí)空的特性（間隔、彎曲程度等）不但與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，還與物質(zhì)本身分布有關(guān)。三維空間的“彎曲”?？梢酝ㄟ^(guò)幾何測(cè)量違反歐氏幾何發(fā)現(xiàn)。例如，由于光線的彎曲，導(dǎo)致兩點(diǎn)間的最短距離不是由直線測(cè)量，而是由曲線（“測(cè)地線”）測(cè)量。所以對(duì)于四維時(shí)空結(jié)構(gòu)的彎曲，要用非歐幾何——黎曼曲面幾何學(xué)描寫。時(shí)空將構(gòu)成“四維黎曼時(shí)空連續(xù)區(qū)”。采用曲線坐標(biāo)系——高斯坐標(biāo)系描寫（由四族曲線構(gòu)成曲線網(wǎng)——類似地球表面二維的經(jīng)緯線相交——組成的曲線坐標(biāo)系）。時(shí)間流逝快慢與物質(zhì)密度（或引力場(chǎng)強(qiáng)度）的關(guān)系，可用本征時(shí)間dτ的公式說(shuō)明。式中dt與引力勢(shì)ψ=0區(qū)域?qū)?yīng)。由于ψ＜0，所以只要ψ≠0（有引力場(chǎng)），dτ＜dt，表明時(shí)間流逝變慢，且｜ψ｜越大（引力場(chǎng)越強(qiáng)或物質(zhì)密度越大），時(shí)間流逝越慢。顯然，在時(shí)空的極小區(qū)域，它將退化為歐氏幾何的直角坐標(biāo)系。廣義相對(duì)論時(shí)空觀在極限情況下可以過(guò)渡到狹義相對(duì)論以及經(jīng)典的時(shí)空觀。體現(xiàn)了新理論對(duì)舊理論的揚(yáng)棄關(guān)系。還須指出，雖然時(shí)空結(jié)構(gòu)的均勻性在局部區(qū)域看破壞了。但從大尺度看，宇宙學(xué)原理仍然成立?，F(xiàn)代宇宙學(xué)的一些觀測(cè)支持這一看法。（二）廣義相對(duì)論是關(guān)于引力的近代理論引力只有在大質(zhì)量的星球間才明顯起作用。所以廣義相對(duì)論一開(kāi)始就把宇宙做為自己的研究對(duì)象。以廣義相對(duì)論為基礎(chǔ)的現(xiàn)代宇宙學(xué)蓬勃地發(fā)展起來(lái)。在現(xiàn)代宇宙學(xué)中，物理學(xué)的時(shí)空觀又有所發(fā)展。這種發(fā)展是沖擊了原有的辯證唯物主義時(shí)空觀，還是豐富發(fā)展了辯證唯物主義時(shí)空觀？目前還存在爭(zhēng)論。無(wú)數(shù)事實(shí)已經(jīng)證明，自然科學(xué)理論越是深入發(fā)展，就越需要辯證思維，越需要反對(duì)形而上學(xué)。我們嘗試以辯證唯物主義為指導(dǎo)去分析現(xiàn)代宇宙學(xué)提出的時(shí)空觀問(wèn)題。首先談一下大尺度宇宙（即宇觀領(lǐng)域）的時(shí)空觀。小尺度宇宙（即微觀領(lǐng)域）的時(shí)空觀還需結(jié)合量子理論說(shuō)明。廣義相對(duì)論應(yīng)用于大尺度宇宙，產(chǎn)生了許多假設(shè)。其中最有影響的是1948年由伽莫夫（美籍俄國(guó)物理學(xué)家G．Gamov．1904—1968）提出的“大爆炸宇宙模型”。由于其幾個(gè)預(yù)言（宇宙背景輻射溫度、宇宙的氦豐度和天體年齡等）被觀測(cè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，已被大多數(shù)科學(xué)家公認(rèn)為是宇宙的標(biāo)準(zhǔn)模型。我們對(duì)宇宙的分析主要以此為依據(jù)。1．宇宙空間是有限的還是無(wú)限的？1917年愛(ài)因斯坦將廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)方程用于分析宇宙。由于當(dāng)時(shí)觀測(cè)水平的局限，愛(ài)因斯坦認(rèn)為宇宙處于靜態(tài)（大尺度無(wú)運(yùn)動(dòng)）。錯(cuò)誤地在場(chǎng)方程中人為地引人一個(gè)“宇宙學(xué)項(xiàng)”，使場(chǎng)方程得到了一個(gè)平衡解。宇宙半徑R與時(shí)間t無(wú)關(guān)。按當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)計(jì)算R=35億光年。即宇宙是“有限”的。但愛(ài)因斯坦指出，這個(gè)宇宙卻是“無(wú)邊”的。因?yàn)榘凑諒V義相對(duì)論，射出的光線在宇宙物質(zhì)的作用下會(huì)發(fā)生彎曲，原則上它可以以彎曲路徑返回，所以永遠(yuǎn)看不到宇宙的邊緣。“有限”與“無(wú)邊”的概念并不矛盾，以三維空間中的球面作為“二維”有限無(wú)界空間來(lái)類比易于理解。因此宇宙空間是四維時(shí)空中一個(gè)閉合的三維球空間，所以宇宙空間是有限的。（對(duì)比之下“地心說(shuō)”的宇宙模型是“有限有邊”的，牛頓的宇宙模型是“無(wú)限無(wú)邊”的。）1922年前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼在不引入“宇宙學(xué)項(xiàng)”情況下，得到了場(chǎng)方程的動(dòng)態(tài)解。即宇宙半徑R與t有關(guān)。1927年比利時(shí)天文家勒梅特指出，動(dòng)態(tài)解意味著宇宙空間將隨時(shí)間均勻膨脹、收縮或振蕩。1929年哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系的光譜線有普遍的紅移現(xiàn)象。如用多普勒效應(yīng)解釋，這正是目前宇宙處于膨脹運(yùn)動(dòng)的證明。勒梅特馬上指出這正是他的預(yù)言。這一結(jié)論目前已得到公認(rèn)。但是，雖然宇宙目前在膨脹，目前宇宙仍是“有限無(wú)邊”的，按“大爆炸宇宙模型”現(xiàn)R可能約為150億光年。如何將這一認(rèn)識(shí)與辯證唯物主義認(rèn)為“宇宙是無(wú)限的”相統(tǒng)一起來(lái)？這里首先應(yīng)該明確：“物理學(xué)的宇宙”與“哲學(xué)上的宇宙”是否是同一概念？以確定規(guī)律（例如引力場(chǎng)方程）所描寫的宇宙即“物理學(xué)的宇宙”，只能是“有限的宇宙”。而“哲學(xué)上的宇宙”意義最為廣泛，應(yīng)是“無(wú)限的宇宙”。辯證唯物主義認(rèn)為宇宙物質(zhì)是連續(xù)性和間斷性的統(tǒng)一。目前看來(lái)可以將宇宙物質(zhì)分為三個(gè)大的層次：無(wú)限宇宙的層次結(jié)構(gòu)較為具體來(lái)說(shuō)，可如圖3所示。（這里的不同層次以質(zhì)能集中程度、主要相互作用場(chǎng)性質(zhì)、時(shí)空結(jié)構(gòu)的明顯差異等方面區(qū)分。）從“奇點(diǎn)”到“總星系”即為至今我們認(rèn)識(shí)到的“我們的宇宙”。以廣義相對(duì)論為基礎(chǔ)的現(xiàn)代宇宙學(xué)所研究的宇宙最大尺度可能只到宇觀物質(zhì)世界——即“我們的宇宙”（且局限于現(xiàn)今觀測(cè)宇宙學(xué)的界限）。它當(dāng)然是有限的。決不能以“我們的宇宙”有限性而否認(rèn)宇宙整體的無(wú)限性。美國(guó)物理學(xué)家溫伯格（S·Weinberg，1979年諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者）指出：“無(wú)論如何，我們總要承認(rèn)我們簡(jiǎn)單的宇宙模型可能只描述了宇宙的一小部分，或者只描述了它的歷史里的有限部分?！鄙踔痢氨q宇宙模型”學(xué)說(shuō)認(rèn)為，類似“我們的宇宙”在無(wú)限宇宙中可以有1050或103000個(gè)……。至于無(wú)數(shù)有限的“我們的宇宙”如何構(gòu)成“無(wú)限宇宙”的問(wèn)題，即無(wú)限宇宙如何構(gòu)成一個(gè)“系綜”，只能是有待于今后進(jìn)一步認(rèn)識(shí)的課題。2．時(shí)間有始有終，還是無(wú)始無(wú)終？“大爆炸宇宙模型”指出，宇宙起源于150億年前的“原始火球”大爆炸。隨后膨脹降溫，至今仍在膨脹著。這是否總味著時(shí)間有起點(diǎn)？宇宙膨脹后的結(jié)局是什么？廣義相對(duì)論預(yù)言，這取決于宇宙物質(zhì)平均密度ρ與臨界密度ρ0（約為2×10-29克／厘米3，相當(dāng)每一千公升三個(gè)氫原子質(zhì)量）的比較。若ρ＜ρ0，宇宙呈負(fù)彎曲空間（用羅巴切夫斯基幾何學(xué)描寫），會(huì)無(wú)限膨脹下去，最終成為彌漫物質(zhì)而消亡；若ρ=ρ0，宇宙呈平直空間（用贗歐幾里德幾何學(xué)描寫），也會(huì)無(wú)限膨脹下去；若ρ＞ρ0，宇宙呈正彎曲空間（用黎曼幾何學(xué)描寫）。宇宙膨脹到一定階段會(huì)轉(zhuǎn)化為收縮?？赡苣蹫橐粋€(gè)大“黑洞”。對(duì)于上述三種情況是否意味著運(yùn)動(dòng)的停止，宇宙的消亡。尤其對(duì)于ρ＞ρ0的情況是否意味著時(shí)間有終點(diǎn)？（已經(jīng)確定，如若證明中微子具有靜止質(zhì)量的話，則ρ＞ρ0的結(jié)論是肯定的。即使對(duì)于ρ＜ρ0情況，物理學(xué)的“無(wú)限”變化，也并非一定意味著“我們宇宙”結(jié)局的無(wú)限性。）如果將廣義相對(duì)論討論的宇宙看為“我們的宇宙”。則廣義相對(duì)論的時(shí)間有始有終是不足為奇的。辯證唯物主義認(rèn)為任何物質(zhì)的具體形態(tài)總是有生有滅的，其“生命”總是有限的。但這與“無(wú)限宇宙”的時(shí)間無(wú)限性不矛盾。宇宙是有限和無(wú)限的辯證統(tǒng)一?，F(xiàn)在已有一些現(xiàn)代宇宙學(xué)理論在探討“我們宇宙”在t＜0時(shí)（“原始火球”之前）物質(zhì)收縮運(yùn)動(dòng)的可能性；以及t＞∝“我們的宇宙”滅亡之后，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)制（如“黑洞”的量子發(fā)射及由星際彌漫物質(zhì)凝聚成新星系的假設(shè)等等；有人已觀測(cè)到新星的形成……）。也有一種“振蕩式宇宙模式”，認(rèn)為宇宙收縮會(huì)經(jīng)過(guò)“反彈”重新實(shí)現(xiàn)宇宙的膨脹……。無(wú)數(shù)“我們的宇宙”的生死交替，構(gòu)成了無(wú)限宇宙的時(shí)間的無(wú)限性。恩格斯在批判物理學(xué)的錯(cuò)誤理論“宇宙熱寂說(shuō)”時(shí)，早就根據(jù)物質(zhì)及運(yùn)動(dòng)不滅原理和能量守恒及轉(zhuǎn)化定律（尤其是能量的“質(zhì)”守恒）指出，物質(zhì)各種運(yùn)動(dòng)形式之間無(wú)限的轉(zhuǎn)化能力，正是無(wú)限宇宙時(shí)間無(wú)限性的原因。并且做出預(yù)言：“放射到太空中的熱一定有可能通過(guò)某種途徑（指明這一途徑，將是以后自然科學(xué)的課題）轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N運(yùn)動(dòng)形式。在這種運(yùn)動(dòng)形式中，它能夠重新集結(jié)和活動(dòng)起來(lái)?！绷袑幹赋觯骸叭找姘l(fā)展的人類科學(xué)在認(rèn)識(shí)自然界上的這一切里程碑都具有暫時(shí)的、相對(duì)的、近似的性質(zhì)?！薄拔覀冇钪妗钡奈锢頃r(shí)空觀可能在“我們宇宙”誕生之前和消亡之后均不適用。可能在“渺觀”“脹觀”領(lǐng)域均不適用。但這絕不意味著時(shí)間空間作為物質(zhì)存在形式的消失。物理學(xué)時(shí)空觀相對(duì)性的不斷變革，構(gòu)成了哲學(xué)時(shí)空觀的絕對(duì)性；無(wú)數(shù)相應(yīng)于物質(zhì)不同層次的物理時(shí)空的有限性，構(gòu)成了哲學(xué)時(shí)空概念的無(wú)限性。在這里，拋棄了“經(jīng)典時(shí)空無(wú)限論”中將有限時(shí)空觀無(wú)窮擴(kuò)展到“無(wú)限宇宙”的形而上學(xué)觀點(diǎn)。恩格斯還指出：“無(wú)限時(shí)間內(nèi)宇宙的永遠(yuǎn)重復(fù)的連續(xù)更替，不過(guò)是無(wú)限空間內(nèi)無(wú)數(shù)宇宙同時(shí)并存的邏輯的補(bǔ)充?！爆F(xiàn)代宇宙學(xué)的某些假設(shè)與辯證唯物主義時(shí)空觀是一致的。我們期待著這些假設(shè)的不斷發(fā)展和實(shí)踐的證明。五、量子理論的時(shí)空觀及其在現(xiàn)代宇宙學(xué)中的表現(xiàn)量子理論是描述微觀物質(zhì)世界的物理理論的總稱。量子力學(xué)是描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，是在舊量子論（1901—1913年由普朗克、愛(ài)因斯坦及玻爾等人創(chuàng)立）基礎(chǔ)上，在1923—1926年間，由德布羅意、薛定諤、海森堡及玻恩等人創(chuàng)立。量子場(chǎng)論是描述微觀物理場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，是將經(jīng)典場(chǎng)加以量子化的理論。它是經(jīng)典場(chǎng)論（如電磁場(chǎng)理論……）、相對(duì)論與量子力學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物（如量子場(chǎng)論中的量子電動(dòng)力學(xué)、正在研究進(jìn)行的量子色動(dòng)力學(xué)、量子味動(dòng)力學(xué)、量子引力論……）。量子理論的研究范圍是微觀物質(zhì)（粒子和場(chǎng)）的高速運(yùn)動(dòng)。在宏觀低速的條件下也可以退化為經(jīng)典理論。量子理論及現(xiàn)代宇宙學(xué)在探討宇宙起源的問(wèn)題上表現(xiàn)出的時(shí)空觀主要有以下幾點(diǎn)：1．現(xiàn)在時(shí)間空間觀念可能存在量子化問(wèn)題——即時(shí)間、空間間隔可能存在一個(gè)最小限度，超過(guò)這一最小限度，現(xiàn)有的物理時(shí)空觀已不能適用，可能面臨著新的變革。1927年海森堡提出量子力學(xué)的一個(gè)重要結(jié)論——測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系。它表明，對(duì)微觀粒子不可能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量其坐標(biāo)和動(dòng)量（或速度），即不可能精確確定微觀粒子的軌道。實(shí)驗(yàn)證明測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系是正確的，是微觀物質(zhì)本身固有的特性（微觀粒子具有波粒二象性）決定的。不是儀器或測(cè)量方法的缺陷造成的。這是否預(yù)示著現(xiàn)有物理時(shí)空觀的適用范圍有個(gè)最小界限？即時(shí)間、空間間隔也存在量子化問(wèn)題？海森堡首先提出了這一想法。他曾設(shè)想原子核尺度10-15米是最短的“基本長(zhǎng)度”，但被后來(lái)的實(shí)驗(yàn)否定了。也有人認(rèn)為強(qiáng)相互作用的特征時(shí)間10-23～10-24秒可能是時(shí)間的“量子”，但一直沒(méi)有可靠的依據(jù)。但是，現(xiàn)代宇宙學(xué)在宇宙（應(yīng)指“我們的宇宙”）起源問(wèn)題上的探討，卻預(yù)示著有時(shí)空量子化的存在。在“大爆炸宇宙模型”中，將廣義相對(duì)論運(yùn)用于宇宙起源t=0時(shí)刻，會(huì)得到宇宙起源于“奇點(diǎn)”的結(jié)論：即宇宙起源于半徑R=0（幾何點(diǎn)），而物質(zhì)密度ρ=∝的狀態(tài)。這顯然是一種錯(cuò)誤的結(jié)論。其錯(cuò)誤的根源，是對(duì)廣義相對(duì)論做了不合理的外推。正如愛(ài)因斯坦指出的：“人們不可假定這些方程對(duì)于很高的場(chǎng)密度和物質(zhì)密度仍然是有效的。也不可下結(jié)論說(shuō)‘膨脹的起源’就必定意味著數(shù)學(xué)上的奇點(diǎn)。總之，我們必須明白，這些方程不可擴(kuò)展到這樣一些區(qū)域中去?！睆V義相對(duì)論對(duì)宇宙起源狀態(tài)已不適用，則意味著與廣義相對(duì)論并存的現(xiàn)有的物理時(shí)空觀也有它的一個(gè)最小的時(shí)空適用范圍——即存在物理時(shí)空的量子化問(wèn)題。那么，現(xiàn)在較公認(rèn)的時(shí)、空最小間隔是多少？“大爆炸宇宙模型”只在解釋爆炸10-32秒以后是成功的。而在t＜10-32秒（渺觀）情況遇到許多困難。在1980年，美國(guó)物理學(xué)家古斯（Guth）提出“暴脹宇宙模型”，考慮了物質(zhì)量子化，引入量子理論，較好地解決了10-43秒～10-32秒時(shí)“大爆炸宇宙模型”暴露的問(wèn)題。該理論并且預(yù)言，宇宙在這一期間處于一種現(xiàn)今未知的物質(zhì)形態(tài)——“假真空”態(tài)。對(duì)這種狀態(tài)現(xiàn)有物理學(xué)理論只是假設(shè)，這是一種極高溫、高壓，能量密度極大的狀態(tài)。而在小于10-43秒時(shí)，現(xiàn)有物理時(shí)空觀念均不適用。因此，目前較為公認(rèn)的最短時(shí)間是tP～