1、空間、時間是什么？別人在很小的時候就已經(jīng)搞清楚了，而我的智力發(fā)育遲，長大了也未搞清楚，于是，我一直揣摩這個問題。結(jié)果就比別人鉆得深一些。 愛因斯坦,1 時間和空間是物質(zhì)的存在形式。 時間是其持續(xù)性、前后相繼的順序性；空間是其廣延性、伸張性和與它事物的距離等。,（一） 時間、空間概念,二 時空觀及其革命,時空概念,（二章二節(jié)）,2 空間的特點是它的三維性 指的是任何現(xiàn)實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。,3 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,4 時間空間與物質(zhì)運動不可

2、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,5 客觀性,對時、空的客觀性的理解和對運動客觀性的理解一樣即：時間、空間并非“獨立實在”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,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,如果時間有開端和結(jié)束，那么，開端以

3、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)實的時間和空間，只能 是無限的。,只能是：彼岸世界、上帝。,可用反證法來證明：,（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、空間的看法或觀點的總稱。包括：對時空的認識（科學(xué)的或經(jīng)驗的）、理解（理智的或直觀的）和期望。,1 時空觀,時空觀是最通俗、最經(jīng)常的日常觀念之一。,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)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，特別是嚴寒冬天，起床號吹響：“今夜怎么這么短，我才剛剛睡下”。,第四節(jié)課，

4、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芾斫鈫幔?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槍，就要扣動扳機的一瞬間： 一定要有一個聲音響起：“住手，我就是你們要找的八路軍”。,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”，生活的狹窄造成胸襟的狹隘?！熬字堋?/p>

5、這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”。,2,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。,兒子回信卻說：“讓他三尺又何妨？”,一定的時空觀是人們暴露和表達自己心靈的“窗口”。,有的人，生活在理想的未來，現(xiàn)實總使他牢騷滿腹。 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。,3,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。,在我們的先祖那里，時、空與實際事物緊密聯(lián)系。

6、例如： “二指寬”、“五十步”、“頭發(fā)絲那么細”、 “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。,2 古代樸素的時空觀,我國先哲，猜測到了時空的無限。 “天地四方為宇，古往今來為宙”。 “一尺之錘，日取其半，乃世不竭?！?“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）,隨著人們相互交往的經(jīng)常和擴展，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

7、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。,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。,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-,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。 買來遙遠美洲生產(chǎn)的電器，不用耽心插不上家里

8、的插座。 市場上到處充斥著“進口零件，國內(nèi)組裝”的產(chǎn)品。 如果有朋友自洛杉磯飛來，查詢班機時刻表，就能準(zhǔn)時去機場接機。,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：,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

9、通。就如高速飛行的飛機里，機艙壁上圍著一塊污跡爬行的蒼蠅用它的經(jīng)驗來解釋飛機的運動一樣。,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)，因為那時候科學(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。,（三）愛因斯坦相對論和 時空觀念革命,科學(xué)事實終于出現(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。,【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，既沒有文獻引證，又沒有權(quán)威著作的援引，一開始便單刀直入地

10、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,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，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。這就是著名的“追光詳謬”。,狹義相對論,“追光詳謬”其實是一種參照系的 變換。靜止參照系變

11、為運動參照系，觀測者“參與” 運動之中。 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里，就只感到顛簸和搖晃。我們生活在地球上，不感到它在運動，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,我們過去熟知的非常權(quán)威的測量標(biāo) 準(zhǔn)和方法，實際上只適用于地球上大物體的低速運動。但我們卻以為這就是一切運動的規(guī)則。,狹義相對論,下面，我 們將愛因斯坦 的計算公式簡 化，簡單計算一下：,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

12、相對靜止參照系而言，在運動中，時間和空間的感覺依然如常。,狹義相對論,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,狹義相對論的觀念革命意義在于：, 將時、空的測量標(biāo)準(zhǔn)和方式與實際事物的時、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, 打破了絕對時空觀對人們長達數(shù)百年的統(tǒng)治，為辯證時空觀提供了科學(xué)依據(jù)。

13、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,【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)認識論的原則，又向廣義相對論進軍。 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運動。,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)”的計算機繪制圖形,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

14、，過去曾權(quán)威的引力對物體運動的影響失去了意義。時空與物質(zhì)密切相關(guān)，是運動著的物質(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在的實際客體而獨立存在的東西。物理客體不是在空間之中，而是這些客體有著空間的廣延?！?徹底地否定了牛頓的絕對時空觀。,廣義相對論,廣義相對論因很快得到科學(xué)的證實而引起轟動，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。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,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（WAdams）對天狼星伴星的觀察，1

15、923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 Moss Bauer）效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后，實驗室中利用射線實驗也與預(yù)言相符。,廣義相對論,2）恒星位置假說,愛因斯坦預(yù)言，由于引力作用，光線實際上是彎曲的，因此，我們平時觀測到的恒星位置是有誤差的。大約在1.74 。 為了證實這一預(yù)言，德國曾在1914年組織考察隊前往俄國克里木半島，準(zhǔn)備在全日食情況下進行觀測。恰逢第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，考察隊人員全部被俄國作為戰(zhàn)俘扣留，至使這次觀測未能進行。,廣義相對論,1919年，英國皇家學(xué)會組織了兩支科學(xué)考察隊，一支前往西非北部的索布拉爾，一支前往西非幾

16、內(nèi)亞灣的普林西比島后一支考察隊由著名天文學(xué)家愛丁頓（Arthur Stanley Eddington1882-1944）率領(lǐng)。普林西比的結(jié)果是1.610.30，索布拉爾的結(jié)果是1.980.12, 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,3）地球引力場強度假說,根據(jù)廣義相對論計算，地球的引力場強度是不均勻的，近中心者強度大，隨距離拉開逐漸減弱，這種強度差異，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驗，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2.510-15秒，與預(yù)言完全符合。,廣義

17、相對論,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（310-13），近五年上億次觀測記載，參數(shù)精度達百億分之一（10-11）觀測結(jié)果與預(yù)言完全相符。,廣義相對論,5）黑洞假說,廣義相對論,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,學(xué)者們大多不懂廣義相對論，主要原 因是愛因

18、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（Hermamm Minkowski 1864-1909）四維時空統(tǒng)。從而，愛因斯坦促進了一門新的學(xué)科非歐幾何學(xué)的發(fā)展。,非歐幾何,現(xiàn)在，人們都知道非歐幾何與愛因斯坦的關(guān)系。其實，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,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，作為非歐幾何創(chuàng)始人之一被載入史冊。,非歐幾何,【3】非歐幾何簡介,非歐幾何最開始是幾位數(shù)學(xué)家分別獨自研究

19、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,非歐幾何實際應(yīng)稱為“微分幾何”或“非正則幾何”。因為其與傳統(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、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,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

20、”性質(zhì)。,非歐幾何,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,洛氏幾何又被稱為“宇宙幾何”。因為它描述的是大尺度空間，又稱為“內(nèi)蘊幾何”。其最大特點是“保形性”。,非歐幾何,t,非歐幾何,L2 洛氏平面示意圖,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,自愛因斯坦后，這些數(shù)學(xué)形式已有了廣泛運用，例如我們現(xiàn)在說的

21、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,非歐幾何,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)一才能保持獨立存在?！睍r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,愛因斯坦相對論發(fā)表后，特別是二十世紀(jì)六十年代以來，不僅實驗驗證如雨后春筍，而且，也成為相對論天體物理學(xué)、高能天體物理學(xué)和宇宙學(xué)的理論基礎(chǔ)。類星體、脈沖星、致密x射線源、3K宇宙、微波背景輻射、黑洞、引力波等等的發(fā)現(xiàn)和探測，宇宙大爆炸理論和各種宇宙模型紛紛出現(xiàn)。而且，現(xiàn)在仍在發(fā)展。,相對論,【4】相對性 一種現(xiàn)代觀念,愛因斯坦的相對論出現(xiàn)后，影響遠遠超出了物理學(xué)的范疇，引起了一場深刻的觀念革命，這就是相對性觀念。,相對性,關(guān)于相對性，愛因斯坦曾幽默的比方：當(dāng)你坐在一個可愛的女孩子身邊時，一小時像一分鐘那么短；而當(dāng)你坐在火爐上時，一分鐘就像一小時那么長。,相