物理學(xué)中的時空觀研究

1、1物理學(xué)的古典時空觀12物理學(xué)的經(jīng)典時空觀22. 1哥白尼的主要貢獻(xiàn)22. 2伽利略的主耍貢獻(xiàn)32. 3牛頓的主要貢獻(xiàn)32. 3. 1慣性參考系42. 3. 2伽利略變換53狹義相對論的時空觀63.1牛頓力學(xué)的局限性63. 2洛倫茲變換73. 3愛因斯坦狹義相對論83. 4狹義相對論的吋空觀84廣義相對論時空觀104.1狹義相對論的局限性104. 3廣義相對論的基木原理114. 4廣義相對論時空觀的內(nèi)容125量子理論的時空觀14引言：時空觀對物理學(xué)研究的重要意義甚至可以這樣說：時空觀的變革才是科 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 以時空觀為突破i，并伴隨新

2、時空觀的產(chǎn)生。本文首先簡述了遠(yuǎn)占時期的平直的 時空觀，接著描述亞士時空觀，亞士時空觀認(rèn)為地球是宇宙的中心，空間點貝有 相對性。接著牛頓繼承了哥口尼伽利略的學(xué)說，提出時空的相對性即各空間點是 等權(quán)的，時間是可以向前后延展的，但它的時間和物質(zhì)都是脫離空間而絕對存在 的。到了愛因斯坦時期才提出了相對的時空觀，認(rèn)為時間和物質(zhì)空間是相互聯(lián)系 的，時間在時間維上的速度可快可慢，這要看它的空間速度，空間速度越大時間 流動就越慢。1物理學(xué)的古典時空觀創(chuàng)立物理學(xué)古典時空觀的主要代表人物是古希臘的哲學(xué)家亞里士多德和古 希臘天文學(xué)家、地理學(xué)家托勒密。這一時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t五百多

3、年，直到歐洲文藝復(fù)興時期以前。古典時空觀以前的古代時空觀是“天圓地方”的“蓋天說”一種宇宙有 限論。但沒有擺脫神學(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。古典時空觀的主要觀點反映在“地球是宇宙中心”的“地心說”屮，到托勒 密時期，它已形成了較完整的宇宙結(jié)構(gòu)學(xué)說。雖然，“地心說”認(rèn)為物體的運動為神力所驅(qū)使，但對物質(zhì)運動的具體解釋, 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)價值和實用價值。例如，它認(rèn)為物體具有尋找口然歸宿的普遍特性。物體 運動的原因是“它們還沒有達(dá)到各自的天然位置”。以川球為界，宇宙分為兩部 分：“刀上”的物體其天然位置在天

4、球上，因而它們均隨天球作圓運動；“月下” 的物體天然位置在地球中心，因此它們都作落體運動，物體愈重，下落愈快。物 質(zhì)屮較密集的部分盡可能地接近宇宙屮心，所以造成了球形的地球。從而也使古 代時空觀中的“上”“下”絕對觀念失去了意義。這是造成宇宙中物質(zhì)分布不均 勻，形成中心對稱宇宙的原因。盡管這種解釋今日看來并非正確，但卻是歷史上 第一次從物質(zhì)本身去尋找物質(zhì)運動原因的嘗試。它能夠在當(dāng)時解釋地球附近物體 的落體運動。尤其對行星運動作了許多精確的說明。如很好地預(yù)測行星方位等等。 在航海、天文、歷法及生產(chǎn)實踐屮起了很重要的作用。其成果被沿用一千多年。 “地心說”在實踐中的應(yīng)用，說明這一理論本身基木上是唯

5、物的，是在一定程度 上反映了客觀實際，是人類認(rèn)識史上的一大飛躍，是物理時空觀的重大發(fā)展。但是，應(yīng)該明確指岀，“地心說”被宗教神學(xué)利用，那是托勒密死后一千多 年時的事。因此不能否定“地心說”原有的樸素的唯物主義的內(nèi)容?；\統(tǒng)地將“地 心說”木身說成是唯心主義的，是不符合客觀實際的。以“地心說”為代表的古典時空觀的主要觀點是：1. 承認(rèn)時間、空間是客觀存在的。“地心說”雖承認(rèn)“神靈”的存在，但 并沒有說神靈在支配時空，而是力圖從物質(zhì)木身去尋求運動的原因，沒有讓時空 觀念帶上唯心主義的色彩。2. 在空間概念中，止確的認(rèn)識到“上” “下”觀念是相對的。但是，它的 宇宙空間卻是有限的，是有屮心的。3. 承

6、認(rèn)時間的無限性。因為它至少承認(rèn)了天體圜運動的永恒性。但沒有說 明宇宙有無起源，即吋間有無起點的問題。（被宗教神學(xué)利用后，強(qiáng)加于“地心 說”的時間起點是神創(chuàng)宇宙之時。這并非“地心說”原來的觀點。）“地心說”屮沒有明確說明時間、空間二者的關(guān)系，以及吋空與物質(zhì)的關(guān)系; 更沒有說明時空與物質(zhì)運動的關(guān)系。2物理學(xué)的經(jīng)典時空觀創(chuàng)立物理學(xué)經(jīng)典時空觀的主要代表人物是波蘭天文學(xué)家哥口尼、意大利數(shù)學(xué) 家和力學(xué)家伽利略以及英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家牛頓。而牛頓的絕對時 空觀是經(jīng)典時空觀的集中反映。2. 1哥白尼的主要貢獻(xiàn)是將對宇宙的認(rèn)識由“太陽中心說”代替了“地球中心說”。理論上的這一 變更，從物理學(xué)屮運動學(xué)的

7、角度說，不過是對太陽系內(nèi)行星運動描寫時，參照系 的一個變更（將參照系由地球移向了太陽），從而對太陽系內(nèi)行星運動的描寫極 為簡單。按哥白尼的描述，各行星均繞太陽沿不同的圓形軌道運動。擺脫了“地 心說”屮“均輪”、“本輪”那一套復(fù)雜的描述。所以只從運動學(xué)角度，述看不 出“日心說”比“地心說”本質(zhì)上的優(yōu)越性?！叭招恼f”顯示了以太陽為慣性系描述太陽系內(nèi)行星運動的優(yōu)越性，從而展 現(xiàn)了宇宙的這一層次太陽系結(jié)構(gòu)的本來而目，也為牛頓在動力學(xué)方而的研究 （萬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)的動力學(xué)角度 說，“日心說”比“地心說”冇本質(zhì)上的區(qū)別?！叭招恼f”的缺點是：仍然是宇宙小心論。并承認(rèn)太

8、陽的絕對靜止；行星運 動仍沿用了圓形軌道的說法；限于當(dāng)時的觀測及認(rèn)識，認(rèn)為恒星不動。2. 2伽利略的主要貢獻(xiàn)（1）通過望遠(yuǎn)鏡的觀察，看到太陽系內(nèi)結(jié)構(gòu)的一些細(xì)節(jié)。進(jìn)一步說明了太陽 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)） 和吋間概念的確切的數(shù)學(xué)形式。明確說明真實空間的三維性和吋間的一維性。與 太陽中心相連結(jié)的坐標(biāo)系被公認(rèn)稱為伽利略坐標(biāo)系。（3）提出了伽利略相對性原理：“力學(xué)定律在所有慣性系屮都相同以及 對這一原理的數(shù)學(xué)補(bǔ)充伽利略變換，即兩個慣性系間時間和空間坐標(biāo)的變換 式。這里，集中體現(xiàn)了經(jīng)典物理學(xué)的時空觀。牛頓繼

9、承了這一觀點，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)的動力學(xué)理論打下了基礎(chǔ)。他指出了 亞里士多德的錯誤，力并非是物體運動（速度）的原因。而是物體運動變化（加 速度）的原因。從而也科學(xué)地解釋了 “日心說”中行星的運動和地球表面上物體 的落體運動。愛因斯坦對伽利略的工作給予了極高的評價：“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) 的真正開端?！?. 3牛頓的主要貢獻(xiàn)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，為整個經(jīng)典物理學(xué)打下了堅實的基礎(chǔ)。牛頓繼承了伽利略相對性原理及伽

10、利略變換的思想，并完整地敘述了絕對吋 空觀。在開普勒行星運動三定律的基礎(chǔ)上（已正確地觀察到行星運動的橢圓軌 道），發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。在伽利略慣性定律的基礎(chǔ)上，乂建立了動力學(xué)的牛 頓三定律。2. 3. 1慣性參考系對一切運動的描述，都是相對于某個參考系的。參考系選取的不同，對運動 的描述，或者說運動方程的形式，也隨z不同。人類從經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)，總可以找到 這樣的參考系：其吋間是均勻流逝的，空間是均勻和各向同性的；在這樣的參考 系內(nèi)，描述運動的方程有著最簡單的形式。這樣的參考系就是慣性參照系，也稱 為慣性參考系或慣性系。朗道場論（主要是相對論電動力學(xué)）給出的定義:牛頓第一定律成立的 參照系叫做慣性系

11、。（原文沒有用牛頓第一定律的字眼，而是直接說在這樣的參 照系中，一個不受相互作用的粒子將保持靜i上或勻速直線運動）。這個定義在牛 頓力學(xué)和狹義相對論小均適用。這樣，我們可知： 牛頓第一定律定義了慣性系。 牛頓力學(xué)在慣性系中成立。（在相對論中，第二條只要修正為麥克斯韋方 程組和相對論力學(xué)在其屮成立即可）這樣就不存在邏輯循環(huán)的問題，同時也可以說明，牛頓第一定律不是牛頓第 二定律在f二0時的特殊情況。在空間內(nèi)，相對于任何參考點（靜止中或移動中），一個運動中的粒子的位 移、速度、和加速度都可以測量計算而求得。雖然如此，經(jīng)典力學(xué)假定有一組特 別的參考系。在這組特別的參考系內(nèi)，大自然的力學(xué)定律呈現(xiàn)出比較簡

12、易的形式。 我們稱這些特別的參考系為慣性參考系。慣性參考系有個特性：兩個慣性參考系 之間的相對速度必是常數(shù)；相對于一個慣性參考系，任何非慣性參考系必定呈加 速度運動。所以，一個凈外力是零的點粒子在任何慣性參考系內(nèi)測量出的速度必 定是常數(shù)；只有在凈外力非零的狀況下，才會有點粒子加速度運動。問題是，因 為力有引力的存在，并無任何方法能夠保證找到凈外力為零的慣性參考系。實際 而言，相對于遙遠(yuǎn)星體呈現(xiàn)常速度運動的參考系應(yīng)是優(yōu)良的選擇。慣性系是不存在引力作用，不存在自身加速度的“口由”參考系。在經(jīng)典力 學(xué)中，這是一種理想?yún)⒖枷担河捎谟钪婵臻g中無處不存在引力，實際的慣性系是 不存在的。在廣義相對論中，由于

13、引力作用和加速度是完全等效的，對于一個在 引力場屮作自由落休運動的參考系，引力作用和自身加速度的作用抵消。這樣的 參考系，是一個真實的“自由”參考系。由于引力場在空間屮的分布是不均勻的, 慣性系只可能是局域的，也被稱為局域慣性參考系。宇宙中不存在全局慣性參考 系。2.3.2伽利略變換伽利略變換是兩個慣性系描寫同一物體運動時，時間和空間坐標(biāo)的變換式。 體現(xiàn)了運動描寫的相對性。為簡化起見，設(shè)匸相對于s系以速度v只沿x軸方向 作勻速直線運動，且靜止于&系的鐘及靜止于s系的鐘讀數(shù)均為零的時刻，s系 和&系的原點重合。則同一物體任一時刻坐標(biāo)（x、y、z> t）與（x，、丫、t! &

14、gt; f ）之間的變換關(guān)系為：xz = x - vt y' = y z' = zt' = i 時間和空間與物質(zhì)及其運動無關(guān)。時間坐標(biāo)系和空間坐標(biāo)系是完全脫離物質(zhì)而獨立存在的。坐標(biāo)軸上的標(biāo)度即間隔 與慣性系的選擇無關(guān)。由伽利略變換易導(dǎo)岀：ax' = axay' = ayaz' = azatr = at說明時間間隔和空間間隔在不同的坐標(biāo)系屮保持不變。即時間、空間觀念與 物質(zhì)及其運動無關(guān)。 吋間空間彼此無關(guān)，各自獨立存在。這表現(xiàn)在吋間坐標(biāo)系與空間坐標(biāo)系可以分離，各自獨立存在。雖可配合共同 描寫物體的運動（如運動方程，表現(xiàn)為空間處標(biāo)與時間處標(biāo)的關(guān)系）。

15、但二者并 無內(nèi)在的必然聯(lián)系。 經(jīng)典時空結(jié)構(gòu)的特點:a時間結(jié)構(gòu)。一維性；單向性（這是熱力學(xué)第二定律不可逆過程概念的貢 獻(xiàn)，反映了事物發(fā)展因果律的要求）；時間的均勻性（即二at反映出來， 時間間隔的不變性）；同時性概念的絕對性（由伽氏變換易于看出。在s系內(nèi)不 同地點同時發(fā)生的事件即at二0,必然也等于0。說明在9系看也是同時 發(fā)生的。這來口于牛頓的“超距作用”觀點）；時間是有起點的（上帝對宇宙的 “第一次推動”）；但時間的發(fā)展是無限的。即時間是有始無終的、具有單向的 無限性。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axz = ax > ay7 = ay > azz =

16、 az ,所以空間間隔ax2 + ay2 + az2 = j ax" + ay" + az"具有不變性）；空間的無限性（大至無限；小至無限可分基于牛頓提出 的“質(zhì)點”理想模型）。這種時空結(jié)構(gòu)是均勻的、平直的，在數(shù)學(xué)上可用歐兒里 德兒何學(xué)描寫。時間的“均勻性”和空間的“均勻性”、“各向同性”性可以概 括為“時空對稱性原理”。這實質(zhì)上是“宇宙無中心”的另一表述。這是基于“物 理規(guī)律在不同時刻，在空間不同點是等價的”經(jīng)驗捉出的。3狹義相對論的時空觀3.1牛頓力學(xué)的局限性牛頓創(chuàng)立的經(jīng)典力學(xué)的基本概念和基本原理存在著固冇的局限性，主要表現(xiàn)在以 下幾個方面：第一，引入了絕對時

17、間、絕對空間等基木概念。按照牛頓的說法，絕對的、真正 的和數(shù)學(xué)的時間自身在流逝著，而且由于其本性而均勻地、與任何其他外界事物 無關(guān)地流逝著。絕對空間就其木性而言，是與任何外界事物無關(guān)而永遠(yuǎn)是相同的 和不動的。絕對運動是一個物體從某一絕對的處所向另一絕對的處所的移動。 萊布尼茲、貝克萊、馬赫等先后都對絕對空間、時間觀念提出過冇價值的異議， 指出過，沒有證據(jù)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。在狹義相對論中，長度和吋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。在廣義相對論中，吋空 的性質(zhì)不是與物體運動無關(guān)的：一方面，物體運動

18、的性質(zhì)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(zhì)也決定于物體及其運動木身。量子論的發(fā)展，對時間概念提出了更根本的問題。量子論的結(jié)論之一就是： 對于一個體系在過去可能存在于什么狀態(tài)的判斷結(jié)果，要決定于在現(xiàn)今的測量屮 做怎樣的選擇。這種現(xiàn)在與過去z間的相互關(guān)系，是與因果順序概念十分不同的, 暗含于時間概念屮的因果序列耍求過去的存在應(yīng)是不依賴現(xiàn)在的。因此，用時間來描述事件發(fā)生的順序，可能并不總是合用的?？臻g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。第二，牛頓雖然對引力的本質(zhì)持審慎態(tài)度，但最終述是對它作了抽彖的、純粹數(shù) 學(xué)形式的概括，把它

19、實際看作是一種直接的、即時傳遞的超距作用力。愛因斯坦的廣義相對論對萬冇引力做出一種解釋，就是時空本身是冇彈性的，可 以彎曲、伸展。當(dāng)一個有質(zhì)量的物體置于某一空間時，空間就會彎曲變形，質(zhì)量 越大，空間彎曲變形就越嚴(yán)重。那么，空間為什么會在冇質(zhì)量的物體周圍彎曲呢？ 愛因斯坦也沒能給出答案。所以，愛因斯坦的彎曲空間理論也沒冇說明引力的本 質(zhì)是什么。量子力學(xué)關(guān)于電荷間的電磁力和強(qiáng)子間的強(qiáng)相互作用力的傳遞原理的 解釋也沒冇說明引力的本質(zhì)是什么。認(rèn)為引力是通過引力場或引力子來傳遞的觀 點也未得到肯定，因為，至今科學(xué)家也沒有找到傳遞萬有引力作用的引力子。 第三、在經(jīng)典力學(xué)小物體的質(zhì)量是恒定不變的，它與物體的

20、速度或能量無關(guān)。 在相對論屮質(zhì)量這一概念的外延就被大大地擴(kuò)展了。愛因斯坦著名的質(zhì)能方程 e = mc2使到原來在經(jīng)典力學(xué)中彼此獨立的質(zhì)量守恒和能量守恒定律結(jié)合起來， 成了統(tǒng)一的“質(zhì)能守恒定律”，它充分反映了物質(zhì)和運動的統(tǒng)一性。質(zhì)能方程說 明，質(zhì)量和能量是不可分割而聯(lián)系著的一方面，任何物質(zhì)系統(tǒng)既可用質(zhì)量0!來 標(biāo)志它的數(shù)量，也可用能量e來標(biāo)志它的數(shù)量；另一方面，一個系統(tǒng)的能量減少 時，其質(zhì)量也相應(yīng)減少，另一個系統(tǒng)接受而增加了能量時，其質(zhì)量也相應(yīng)地增加. 第四，經(jīng)典力學(xué)定律只適用于宏觀低速世界，對于可與光速相比的高速情況和微 觀世界的適用問題，當(dāng)時沒有涉及也不可能涉及。第五，經(jīng)典物理學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的

21、潛在矛盾在經(jīng)典物理學(xué)中，最難使人滿意之處恐怕莫過丁對光的描述了。如果微粒說是正 確的，那么人們不禁要問，當(dāng)光被吸收的時候，組成光的粒子變成了什么呢？而 且為了既表示可稱量物質(zhì)又表示光，必須在討論中引入不同的實體，這無論如何 也不能使人心安理得。3. 2洛倫茲變換首先介紹一卜洛侖茲變換（慣性系s和v的關(guān)系與伽利略變換時相同）。英坐標(biāo)變換關(guān)系為:/ x =y/= y/z = z33愛因斯坦狹義相對論狹義相對論有兩個基木假設(shè)即光速不變原理和相對性原理。光速不變原理指 出宇宙中光速是一個定值，不因參考系的改變而改變。光的傳播是宇宙中弦的振 動的擴(kuò)散，它跟宇宙的能量密度或整體性質(zhì)有關(guān)。只要宇宙的幾個常量

22、不變光速 是不會改變的。相對性原理指出物體的運動是相對的，判斷物體是靜止還是運動 得首先選擇參考系，然后才能判斷它的運動狀況。相對性原理本身就是一個事實, 只是由于人們的主觀感覺，才使得它成為一種假設(shè)。狹義相對論的適用范圍是：在慣性參考系屮宏觀物質(zhì)的高速運動。所以其時 空觀是在物質(zhì)平均密度?。ɑ蛞鋈酰┑膮^(qū)域，宏觀物體作高速運動時時空特 征的反映。由于“高速”與“低速”不同，量變會產(chǎn)生質(zhì)變。所以狹義相對論時 空觀與經(jīng)典時空觀會有質(zhì)的不同。乂由于“高速”包含“低速”，所以經(jīng)典時空 觀不過是狹義相對論時空觀的在物體速度v«c時的極限情況。3. 4狹義相對論的時空觀狹義相對論時空觀的內(nèi)容

23、可以分為三個方面:1. 繼承了經(jīng)典時空觀中某些觀點。如在時間、空間的客觀性上；時伺的一維性和單向無限性上（時間的起始問 題未談及）；空間的三維性和無限性上以及時空結(jié)構(gòu)的均勻性、平直性上（即時 空觀念與物質(zhì)無關(guān)），仍堅持了原經(jīng)典理論的觀點。2. 發(fā)展了 “宇宙無中心”的觀點（即仍堅持了 “時空對稱性原理”）。狹義相對論推廣了伽利略相對性原理：對一切物理學(xué)規(guī)律慣性系z間等價。 以全部物理學(xué)規(guī)律證明，不存在一個絕對靜止的慣性系，即不存在一個特殊的時 空。發(fā)展了 “宇宙無中心”的觀點。3. 狹義相對論的主耍貢獻(xiàn)是否定了經(jīng)典理論的絕對時空觀，建立了一種相對時 空觀。（1）吋間、空間觀念均與物質(zhì)運動狀態(tài)有

24、關(guān)。“同時性概念是相對的”。曲“光速不變原理”，通過“愛因斯坦火車” 的理想實驗，可以得到，不同地點兩個事件的同時性與慣性坐標(biāo)系選擇有關(guān)。不 同慣性系間區(qū)別只在丁運動速度不同。所以“同時性”概念與物質(zhì)運動速度冇關(guān)。 這一點也可以從洛侖茲變換中得岀：由式易得：對s系中兩個事件若是同時的，則t2=t10這時,即&系中看，兩個事件不是同時的。“吋間間隔是相對的”。由洛侖茲變換式，對同一地點x可以導(dǎo)出可見atz > at ,即運動時鐘變慢。這種現(xiàn)象只有在物體高速運動吋才明顯可以觀察到。例如u介子半衰期變 長，高速運動的氫原子輻射頻率降低（或波長變長“紅移”）等實驗充分證 明了這一結(jié)論。

25、“空間間隔是相對的?！庇陕鍋銎澴儞Q式，對同一時刻t可以導(dǎo)出ax =v2/c2 ax'注意這里z為靜止于s'系內(nèi)的尺長。ax為s系觀察者看到的同一個尺運 動的尺長。由于ax < ax,所以有“運動尺縮短”或“運動方向上長度收縮”的 結(jié)論。這種現(xiàn)象在物體低速運動時很不明顯。經(jīng)過計算可知，普通長度的卡車，當(dāng) 以v = 40m/h行駛時，約只縮短一個原子直徑；火箭比汽車速度大很多，但仍 屬低速，如其長度為100m, v = 16200km/h,也只縮短1 / 100価。但當(dāng)其速度 大到v=0. 8c時，經(jīng)計算可知其長度將縮短40mo4廣義相對論時空觀4.1狹義相對論的局限性1、狹

26、義相對論不能解釋慣性系的特殊、優(yōu)越性問題在經(jīng)典力學(xué)中，力學(xué)方程在不同的慣性參照系中具有不變性，若將同一物理 現(xiàn)象放在非慣性系中描述，其力學(xué)方程將發(fā)生改變，這就產(chǎn)生了一個問題：“慣 性參照系是否在物理上具有特殊的性質(zhì)和較其它參照系更為優(yōu)越呢？ ”物理學(xué) 家牛頓、馬赫曾研究過這個問題，但都無法說明同一物理現(xiàn)象對慣性系和非慣性 系為什么會有不同的表現(xiàn)。愛因斯坦創(chuàng)立了狹義相對論，并提出了兩條基本原理：相對性原理和光速不 變原理。根據(jù)基本原理，推導(dǎo)出新的時空變換關(guān)系。在新的時空變換關(guān)系中，麥 克斯韋電動力學(xué)方程組在不同的慣性系中數(shù)學(xué)形式相同，電磁規(guī)律對所冇的慣性 系都是等價的。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)在狹義相對論的

27、范畸內(nèi)，仍然無法解決慣性系的特 殊、優(yōu)越性問題。愛因斯坦面對的是物理學(xué)中一個歷史性的難題和挑戰(zhàn)。愛因斯坦從牛頓、馬赫的失敗中認(rèn)識到從理論上論證慣性系的特殊和優(yōu)越性 是不可取的，狹義相對論原理對這個理論問題同樣做不出解答。愛因斯坦尖銳地 意識到這一點，并認(rèn)為這是經(jīng)典力學(xué)、狹義相對論都“固有的認(rèn)識論上的缺點”。 解決這個困難，出路只冇兩條:要么從理論上闡明慣性坐標(biāo)系特殊、優(yōu)越的物理原 因，要么從理論上消除慣性坐標(biāo)系特殊、優(yōu)越的物理地位。愛因斯坦選擇了第二 條出路，就是擴(kuò)大狹義相對論原理的物理內(nèi)容。1933年愛因斯坦曾回憶說：“如 果速度概念只能冇相對的意義，難道我們還固執(zhí)地把加速度當(dāng)作一個絕對的概

28、念 嗎？ ”。他思索著從擴(kuò)大狹義相對論的內(nèi)容和原理著手，用新的觀念和論點從理 論上消除慣性系的特殊和優(yōu)越。2、“剛性”空間-時間度規(guī)不能解決非慣性系小的問題在經(jīng)典力學(xué)屮，時空是絕對的，幾何學(xué)只是一種數(shù)學(xué)工具，反映了一個平直 的物理空間。在狹義相對論中，光速是恒定的，以光速為基礎(chǔ)的時空也是均勻的、 各向同性的，狹義相對論所依附的四維時空統(tǒng)一體是一個具有平直性質(zhì)的質(zhì)歐幾 里徳空間。狹義相對論擺脫了絕對時空觀的束縛，確立了同時性的相對性，時間間隔的 相對性和空間長度測量與參照系運動狀態(tài)有關(guān)等新的時空觀。然而，在同一參照 系屮，仍按統(tǒng)一的測量標(biāo)準(zhǔn)測量時間與長度，這意味著狹義相對論屮仍具冇剛性 的尺和同

29、步的時鐘，其空一時度規(guī)的性質(zhì)仍是“剛性”的。愛因斯坦在研究小發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們處在一個非慣性系內(nèi)的時候，大范疇內(nèi)平直 的坐標(biāo)空間概念已經(jīng)失效，不能夠用到處同步的鐘和到處一樣長度且與取向無關(guān) 的尺，狹義相對論所依附的空-時度規(guī)不能解決非慣性系的問題。3、狹義相對論不能解決引力現(xiàn)彖問題愛因期坦曾反復(fù)運用數(shù)學(xué)方法修改牛頓的引力理論，企圖把引力現(xiàn)彖歸納在 狹義相對論的范疇z內(nèi)，但沒有獲得成功。愛因斯坦通過狹義相對論，把電場與 磁場統(tǒng)一起來，把質(zhì)量和能量統(tǒng)-起來，把牛頓力學(xué)方程作了相對論修正，使z與 麥克斯韋方程i辦調(diào)起來了。接著，愛因斯坦想把引力現(xiàn)彖也納入狹義相對論的范 疇。他作了初步嘗試后發(fā)現(xiàn)：物體的質(zhì)量

30、是它所含能量的量度，若物體的能量改 變那么質(zhì)量也要改變£lc 按這個結(jié)論,物體的慣性質(zhì)量將隨其能量而變， 落休的加速度同它的水平速度或者物體的內(nèi)能有關(guān)。這不符合在引力場屮的一切 物體都具有同一加速度的實驗事實。推出的結(jié)論不能解釋引力場中的普遍事實。4、3廣義相對論的基本原理等效原理：分為弱等效原理和強(qiáng)等效原理，弱等效原理認(rèn)為引力質(zhì)量和慣 性質(zhì)量是等同的。強(qiáng)等效原理認(rèn)為，兩個空間分別受到引力和與z等大的慣性力 的作用，在這兩個空間中從事一切實驗，都將得出同樣的物理規(guī)律。現(xiàn)在冇不 少學(xué)者在從事等效原理的論證研究，但是至少目前能夠做到的精度來看，未曾從 實驗上證明等效原理是破缺的在處于均勻

31、的恒定引力場影響下的慣性系，所發(fā) 生的一切物理現(xiàn)彖，可以和一個不受引力場影響的，但以恒定加速度運動的非慣 性系內(nèi)的物理現(xiàn)象完全相同。 廣義相對論的相對性原理：所有非慣性系和 有引力場存在的慣性系對于描述物理現(xiàn)象都是等價的。愛因斯坦捉出“等效原理”，即引力和慣性力是等效的。這一原理建立在 引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量的等價性上。根據(jù)等效原理，愛因斯坦把狹義相對性原理推 廣為廣義相對性原理，即物理定律的形式在一切參考系都是不變的。物體的運動 方程即該參考系屮的測地線方程。測地線方程與物體自身固有性質(zhì)無關(guān)，只取決 丁叩寸空局域幾何性質(zhì)。而引力正是吋空局域幾何性質(zhì)的衣現(xiàn)。物質(zhì)質(zhì)量的存在會 造成時空的彎曲，在彎曲

32、的時空中，物體仍然順著最短距離進(jìn)行運動（即沿著測 地線運動在歐氏空間屮即是直線運動），如地球在太陽造成的彎曲吋空屮的 測地線運動，實際是繞著太陽轉(zhuǎn)，造成引力作用效應(yīng)。正如在彎曲的地球表面上, 如果以直線運動，實際是繞著地球表面的大圜走。廣義相對性原理：物理定律的形式在一切參考系都是不變的。該定理是狹 義相對性原理的推廣。在狹義相對論中，如果我們嘗試去定義慣性系，會出現(xiàn)死 循環(huán)：一般地，不說外力的物體，在其保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)不變的坐標(biāo) 系是慣性系；但如何判定物體不受外力？冋答只能是，當(dāng)物體保持靜止或勻速直 線運動狀態(tài)不變時，物體不受外力。很明顯，邏輯出現(xiàn)了難以消除的死循環(huán)。這 說明對于慣

33、性系，人們無法給出嚴(yán)格定義，這不能不說是狹義和對論的嚴(yán)重缺憾。 為了解決這個問題，愛因斯坦直接將慣性系的概念從相對論屮剔除，用“任何參 考系”代替了原來現(xiàn)代性原理中“慣性系”。4.4廣義相對論時空觀的內(nèi)容愛因斯坦于1915年又將適用于慣性系的狹義相對論進(jìn)一步發(fā)展，創(chuàng)立了適 用于非慣性系的廣義相對論。物理學(xué)理論指出，慣性系不過是一種理想狀況，它 只在宇宙中一個小范圍內(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題。慣性系不過是非慣性系的特例。從另一角度講，非慣 性系相當(dāng)于物質(zhì)平均密度大（或引力場強(qiáng)）的區(qū)域。顯然包括經(jīng)典理論的物質(zhì)平 均密度?。ɑ蛞鋈酰┑那闆r。所以，

34、廣義相對論的適用范圍是：非慣性參考 系屮宏觀物質(zhì)的高速運動。其時空觀是在物質(zhì)平均密度大（或引力場強(qiáng)）的區(qū)域, 宏觀物體作高速運動時時空特征的反映。廣義相對論乂進(jìn)一步發(fā)展了狹義相對論的時空觀。尤其在時空與物質(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空觀。（一）廣義相對論對時空觀的主要補(bǔ)充如下1. 乂進(jìn)一步發(fā)展了 “宇宙無中心”的觀點。愛因斯坦基于慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等的一些事實，捉出非慣性系與引力場 等效的“等效原理”假設(shè)。從而可以將菲慣性系問題轉(zhuǎn)化為熟知的慣性系問題處 理。于是可以把狹義相對性原理進(jìn)一步推廣到任意參考系，導(dǎo)致廣義和對性原理 的捉出：一切物理規(guī)律在任意參考系間等價。這說

35、明了物體運動規(guī)律（以數(shù)學(xué)形 式表述）的絕對性。它不因人們的觀察角度（即參考系選擇）而改變（在哲學(xué)上 可以說這是物質(zhì)運動絕對性的一種表現(xiàn)）;也更廣泛地說明了宇宙屮沒冇特殊的 時空存在，進(jìn)一步否定了經(jīng)典理論中“絕對靜止時空”的存在。這時，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)充了時空觀念還依賴于物質(zhì)分布的“相對性”。將廣義相對性原理（其數(shù)學(xué)形式是廣義協(xié)變原理）與最小作用原理結(jié)合，可 以導(dǎo)出宇宙中的引力場方程。從中可以看出時間、空間性質(zhì)與物質(zhì)及其運動的具 休的相互依賴關(guān)系。極大地豐富了辯證唯物主義關(guān)于“時間和空間是運動著的物 質(zhì)的存在形式”的論斷。3. 補(bǔ)充了吋空結(jié)構(gòu)與

36、物質(zhì)分布的關(guān)系。物質(zhì)密度越大的區(qū)域，統(tǒng)一吋空彎曲的曲率越大（這表現(xiàn)為空間越彎曲；吋 間流逝越慢）。所以時空的特性（間隔、彎曲程度等）不但與運動狀態(tài)有關(guān)，還 與物質(zhì)木身分布有關(guān)。三維空間的“彎曲”。可以通過幾何測量違反歐氏幾何發(fā)現(xiàn)。例如，由于光 線的彎曲，導(dǎo)致兩點間的最短距離不是由直線測量，而是由曲線（“測地線”） 測量。所以對于四維時空結(jié)構(gòu)的彎曲，要用非歐兒何黎曼曲面兒何學(xué)描寫。 吋空將構(gòu)成“四維黎曼時空連續(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)緯線相交一一組成的曲線坐標(biāo) 系）。吋間流逝快慢與物質(zhì)密度（或引力場強(qiáng)度）的關(guān)系，可用木征吋間dt的公式說 明。

37、式屮dt與引力勢屮二0區(qū)域?qū)?yīng)。由于0<0,所以只要©ho （有引力場）,dr<dt,表明吋間流逝變慢，越人（引力場越強(qiáng)或物質(zhì)密度越人），時間流逝越慢。顯然，在吋空的極小區(qū)域，它將退化為歐氏幾何的直角坐標(biāo)系。廣義相對論吋空觀在極限情況下可以過渡到狹義相對論以及經(jīng)典的吋空 觀。體現(xiàn)了新理論對i口理論的揚棄關(guān)系。述須指出，雖然吋空結(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。現(xiàn)代宇宙學(xué)的一些觀測支持這一看法。5量子理論的時空觀量了理論是描述微觀物質(zhì)世界的物理理論的總稱。量了力學(xué)是描述微觀粒 子運動規(guī)律的學(xué)科，是在i口量子論（19011913年市普朗克、愛

38、因斯坦及玻爾 等人創(chuàng)立）基礎(chǔ)上，在19231926年間，由德布羅意、薛定銬、海森堡及玻恩 等人創(chuàng)立。量子場論是描述微觀物理場運動規(guī)律的學(xué)科，是將經(jīng)典場加以量子化 的理論。它是經(jīng)典場論（如電磁場理論）、相對論與量子力學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物（如 量了場論中的量了電動力學(xué)、止在研究進(jìn)行的量了色動力學(xué)、量了味動力學(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）的高速運動。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題上表現(xiàn)出的吋空觀主要有以 下幾點：1. 現(xiàn)在時間空間觀念可能存在量了化問題即時間、空間間隔可能存在 一個最小限度，超過這一最小限度，現(xiàn)有的物理時空觀已

39、不能適用，可能面臨著 新的變革。1927年海森堡提出量了力學(xué)的一個重要結(jié)論測不準(zhǔn)關(guān)系。它表明，對 微觀粒子不可能同吋準(zhǔn)確測量其坐標(biāo)和動量（或速度），即不可能精確確定微觀 粒子的軌道。實驗證明測不準(zhǔn)關(guān)系是正確的，是微觀物質(zhì)木身固有的特性（微觀 粒了具有波粒二象性）決定的。不是儀器或測量方法的缺陷造成的。這是否預(yù)示 著現(xiàn)有物理吋空觀的適用范圍有個最小界限？即吋間、空間間隔也存在量子化問 題？海森堡首先提岀了這一想法。他曾設(shè)想原子核尺度10-15 x是最短的“基本 長度”，但被后來的實驗否定了。也有人認(rèn)為強(qiáng)相互作用的特征時間10-23 10-24秒可能是時間的“量子”，但一直沒有可靠的依據(jù)。但是，現(xiàn)

40、代宇宙學(xué)在宇宙（應(yīng)指“我們的宇宙”）起源問題上的探討，卻 預(yù)示著有時空量了化的存在。在“大爆炸宇宙模型”中，將廣義和對論運用于宇 宙起源t二ou寸刻，會得到宇宙起源于“奇點”的結(jié)論：即宇宙起源于半徑r二0（幾 何點），而物質(zhì)密度p=-的狀態(tài)。這顯然是一種錯誤的結(jié)論。其錯誤的根源， 是對廣義和對論做了不合理的外推。止如愛因斯坦指出的：“人們不可假定這些 方程對于很高的場密度和物質(zhì)密度仍然是有效的。也不可下結(jié)論說'膨脹的起源' 就必定意味著數(shù)學(xué)上的奇點?？倆,我們必須明白，這些方程不可擴(kuò)展到這樣一 些區(qū)域屮去?！睆V義相對論對宇宙起源狀態(tài)已不適用，則意味著與廣義相對論并 存的現(xiàn)冇的物

41、理時空觀也冇它的一個最小的時空適用范圍即存在物理時空 的量子化問題。那么，現(xiàn)在較公認(rèn)的時、空最小間隔是多少？ “大爆炸宇宙模型”只在解釋 爆炸10小秒以后是成功的。而在t<io-32秒（渺觀）情況遇到許多困難。在1980年，美國物理學(xué)家占斯提出“暴脹宇宙模型”，考慮了物質(zhì)量了化, 引入量子理論，較好地解決了 1°4'秒1戸秒時“大爆炸宇宙模型”暴露的問題。 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1嚴(yán)秒時，現(xiàn)有物理時空觀念均不適用。i大i此，目前較為公

42、認(rèn)的最短時詡是秒（稱為普朗克時間）相應(yīng)的最小長度是米（稱為普朗克長度）與此對應(yīng)的宇宙溫度為wk,物質(zhì)密度p = 1093 g/cm從小的方面，超過 時空量子化的這一界限，則現(xiàn)今的物質(zhì)密度是未知物質(zhì)形態(tài)。現(xiàn)有物理 學(xué)理論已不適用。這即所謂“奇點”時期。應(yīng)該認(rèn)為，這一界限并非否定了哲學(xué) “無限可分”的觀點，它只體現(xiàn)了現(xiàn)有物理時空觀的局限性。所以，宇宙并非起源于數(shù)學(xué)上的“點”，而是物理學(xué)上的“點”“原始 火球”。它雖小，但尺工0；物質(zhì)密度。極大，但pw °須指岀的是，對渺觀領(lǐng)域的“奇點”，現(xiàn)有的物理時空觀念消失了，但哲學(xué) 的時空觀念仍然存在，不是沒有時間、空間觀念的世界。恰恰需要用物理學(xué)的發(fā) 展，用新的物理時空觀去豐富哲學(xué)的時空觀念。2. 宇宙并非起源于沒有時間、空間，沒有物質(zhì)的“虛無”，時間，空間仍 是物質(zhì)存在的形式。首先“假真空態(tài)”并非是物質(zhì)的“虛無”。它只是現(xiàn)今未明的物質(zhì)形態(tài)。量 子場論有一種設(shè)想將“假真空態(tài)”對應(yīng)的物質(zhì)形態(tài)稱為黑格斯場（預(yù)言它