科學(xué)時(shí)空觀的歷史進(jìn)及其特點(diǎn)

摘要：時(shí)空觀的科學(xué)演進(jìn)，伴隨著兩個(gè)重要特點(diǎn)，一是減少并消除絕對(duì)性；二是挖掘并增加相對(duì)性。時(shí)空認(rèn)識(shí)的大變革是物理學(xué)和科學(xué)技術(shù)大變革的前提和基本標(biāo)志。時(shí)空認(rèn)識(shí)的每一次科學(xué)革命都要帶來科學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步，進(jìn)一步尋求對(duì)時(shí)空的科學(xué)認(rèn)識(shí)有著重要的積極意義。

關(guān)鍵詞：時(shí)空觀；時(shí)空觀的絕對(duì)性；時(shí)空觀的相對(duì)性；科學(xué)演進(jìn)

中圖分類號(hào)：B016.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003－854X(2007)08－0024－03

人類對(duì)時(shí)空的科學(xué)認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷史演變過程。時(shí)空觀的科學(xué)演進(jìn)，伴隨著兩個(gè)重要特點(diǎn)，一是減少并消除絕對(duì)性；二是挖掘并增加相對(duì)性。歷史證明，時(shí)空認(rèn)識(shí)的每一次科學(xué)革命都要帶來科學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步，20世紀(jì)愛因斯坦對(duì)時(shí)空認(rèn)識(shí)的新飛躍，對(duì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的貢獻(xiàn)尤為巨大。因此，尋求對(duì)時(shí)空的科學(xué)認(rèn)識(shí)有著十分巨大的積極意義。

一、遠(yuǎn)古平面(直覺經(jīng)驗(yàn))時(shí)空觀

在遠(yuǎn)古時(shí)代人類的活動(dòng)范圍很小，生產(chǎn)力低下，更談不上什么科學(xué)技術(shù)，只知道上有天，下有地，平平的地面向四周延伸，大地是平直的概念也就從經(jīng)驗(yàn)中產(chǎn)生了。一個(gè)容器，最切身的體驗(yàn)是居住的房間，上有頂，下有地，四周有壁，于是又構(gòu)成了頭腦中的上下四周的“空間”概念。高山從平地升起，地窯在平地以下，可見空間是可以上下延伸的。在房間里或天地間，我們既可以向前走，也可以向后走，既可以向左走，也可以向右走。也就是說平面上的方向是相對(duì)的，哪一個(gè)方向都是可以隨意運(yùn)動(dòng)，無限延伸的，但上下的方向卻有些特殊。高處的東西可以下落，直至掉進(jìn)井底，而井底的東西卻不能反“掉”上來。因此“空間”的上下是不可顛倒的。

為了比較空間的大小，古人需要?jiǎng)?chuàng)造空間的測(cè)量方法。起先古人由于沒有公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度作單位，所以測(cè)量的結(jié)果是很不一致的。在古代，有些部落甚至用首領(lǐng)的腳長(zhǎng)作單位，有些則又用臂長(zhǎng)作單位，首領(lǐng)換了單位也就不同。相同的物體測(cè)量的結(jié)果不一樣引起了不少的混亂。后來長(zhǎng)度單位逐漸統(tǒng)一了。在中國，這項(xiàng)偉大工程是由秦始皇完成的。從此，相同的物體也就有了相同的測(cè)量結(jié)果。在致力于消除測(cè)量混亂中，古人是基于一個(gè)最基本的概念的，這就是客觀物體的長(zhǎng)度(時(shí)空量度)是固定不變的，要不，統(tǒng)一單位就沒有意義了。

這是人類對(duì)空間概念認(rèn)識(shí)的第一個(gè)歷程。

一切自然現(xiàn)象都在運(yùn)動(dòng)和變化之中，“過程”的流逝是一切自然現(xiàn)象和人類活動(dòng)的基本特征。盤古開天。耶酥創(chuàng)世，都代表記時(shí)的開始。人類從“過程”的流逝中又抽象出了時(shí)間概念。我們的古人很早就注意到，一切周期變化的過程都可以用來作為時(shí)間的測(cè)量單位。古人觀察到的最簡(jiǎn)單的周期變化有日出日落，月圓月缺，有四季的周期變化。于是測(cè)量時(shí)間的記時(shí)單位是日、月、年也就產(chǎn)生了。也許古人從泉水滴漏中得到了啟示，于是古人又創(chuàng)造了滴漏計(jì)時(shí)器，時(shí)間的計(jì)時(shí)單位一下子縮短到了一滴水滴下的過程，這就有點(diǎn)接近今天的分與秒了。古人對(duì)事物具體“過程”的長(zhǎng)短也認(rèn)為是固定不變的，或者用今天的話說，古人在日常經(jīng)驗(yàn)中看不出“時(shí)間”與物體“運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”有什么聯(lián)系。

古人對(duì)時(shí)間的認(rèn)識(shí)還有另一個(gè)重要特點(diǎn)，那就是時(shí)間的單向性。人死了不能復(fù)生，這表明事物在發(fā)展演變中，其過程都是不可逆反的。過程的不可逆，帶來了時(shí)間認(rèn)識(shí)上的單向性。時(shí)間的發(fā)展方向總是從過去流向未來的。

空間的上下不等價(jià)，時(shí)間的前后不等價(jià)，長(zhǎng)度、時(shí)間間隔的不變性，這就是我們所說的人類遠(yuǎn)古平面(直覺經(jīng)驗(yàn))時(shí)空觀。

二、古代球?qū)ΨQ時(shí)空觀

兩千多年前亞里士多德和托勒密建立了“地球中心說”。他們認(rèn)為宇宙是有限的球體，圓形的地球靜止地居于中心；日、月、星辰都圍繞著地球運(yùn)轉(zhuǎn)；月亮、太陽、行星和恒星分別處在不同的球殼上；它們都作完美的圓周運(yùn)動(dòng)。在亞里士多德的理論體系中，人類生活的大地不是平板式的，而是圓球形的。這是時(shí)空觀的第一次大革命。人類生活的大地不是平面，而是球面，在球體上，上與下的概念就變得不是絕對(duì)而是相對(duì)的了。在球體的一邊認(rèn)為是朝上的方向，而在球體的另一邊則被看作是向下的方向了。反過來也一樣。上與下的空間概念，一下子由唯一的180°的直線方向轉(zhuǎn)而變成了360°的任意方向!怎么能想象，人類生活的廣闊地面一下子變成了一個(gè)沒有嚴(yán)格上下方向的球面呢?這顯然是與人的直接經(jīng)驗(yàn)相違背的。兩千多年前的亞里士多德，敢于沖破古人對(duì)平面空間的看法，主張地球是一個(gè)球形，對(duì)宇宙給予了統(tǒng)一的解釋，宣布經(jīng)驗(yàn)只能在局部范圍內(nèi)適用，這是很了不起的。可以想到，樹立球形的地球觀念是需要克服相當(dāng)大的成見所帶來的阻力的。上與下是相對(duì)的，空間的各個(gè)方向是等價(jià)的，沒有哪一個(gè)方向具有特別的優(yōu)越性，這就是空間方向的相對(duì)性。空間方向由絕對(duì)到相對(duì)，人類在認(rèn)識(shí)時(shí)空上朝科學(xué)時(shí)空觀邁出了關(guān)鍵的一步。

亞里士多德空間雖然方向是相對(duì)的，但空間的不同點(diǎn)卻有著不同的特性。這與平面時(shí)空觀有相通之處。亞里士多德球面時(shí)空觀仍然保留著空間位置的絕對(duì)性。在地球中心說中，物體在宇宙中的位置具有關(guān)鍵的作用。地球的球心就是宇宙的中心，每個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)中只要沒有阻擋，都力圖達(dá)到各自的天然位置。物體之所以運(yùn)動(dòng)是因?yàn)樗鼈儧]有達(dá)到自己的天然位置。地球附近的物體天然位置是地球的球心。亞里士多德說這是落體運(yùn)動(dòng)的真正原因。這樣，在亞里士多德的時(shí)空觀里，地球球心的位置就是非常特殊的。在支配萬物運(yùn)動(dòng)的自然規(guī)律中，這個(gè)點(diǎn)具有決定性的作用。這就是空間點(diǎn)的絕對(duì)性。這樣亞里士多德空間雖然具有各向同性的性質(zhì)，但空間各點(diǎn)的位置并不等價(jià)。

亞里士多德的理論基本上是一個(gè)定性的理論，幾乎沒有定量的物理定律，因此該理論對(duì)時(shí)間的理解并沒有什么新的突破，時(shí)間仍是過程流逝的伴隨物，一切過程的時(shí)間測(cè)量也與坐標(biāo)系的選取無關(guān)，時(shí)間是絕對(duì)的，而且具有單向性。總之與遠(yuǎn)古平面時(shí)空觀相比，亞氏時(shí)空觀消除了空間方向上的絕對(duì)性，而保留了其它絕對(duì)性。

三、牛頓絕對(duì)時(shí)空觀

16世紀(jì)以前在西方，亞里士多德時(shí)空觀統(tǒng)治了近一千九百年之久，亞里士多德的學(xué)說成了科學(xué)進(jìn)步的嚴(yán)重障礙。到了16世紀(jì)，哥白尼創(chuàng)立了“日心說”，認(rèn)為太陽居于行星系的中心，地球和其他行星繞著太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，“地心說”從此開始動(dòng)搖。此后，布魯諾、伽利略、牛頓又為日心說奮斗了許多年，布魯諾甚至為此獻(xiàn)出了寶貴的生命。以哥白尼——伽利略——牛頓為代表的新科學(xué)，否定了地球中心的特殊地位。牛頓的引力定律

表明，蘋果可以落到地球上，照樣可以落到月球上，蘋果落地和月亮繞地球運(yùn)行是同一個(gè)原因引起的。地球的球心同月球的球心一樣，在空間不斷地變動(dòng)著。伽利略則更明確地指出，物理定律的形式與相互勻速運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系的選擇無關(guān)。因而牛頓力學(xué)中沒有地球的中心地位，任何空間點(diǎn)都是平權(quán)的。相對(duì)于任何時(shí)空點(diǎn)來計(jì)算，物理規(guī)律都是一樣的，空間被看作脫離物質(zhì)并且供萬物表演的舞臺(tái)。牛頓力學(xué)時(shí)空觀消除了時(shí)空點(diǎn)的不平權(quán)性。然而，時(shí)空點(diǎn)平權(quán)了，但卻帶來了時(shí)空的絕對(duì)均勻、平直性。不過，這個(gè)絕對(duì)平直性在廣義相對(duì)論中得到了消除。

像抽象空間一樣，牛頓把時(shí)間也從物質(zhì)演變過程中抽象出來，變成既脫離空間，也脫離物質(zhì)的任意流逝的客觀物。在牛頓第二定律中

給定初始條件，我們既可知道物體的現(xiàn)在，又可以知道物體的未來，還可以知道物體的過去。時(shí)間沒有起點(diǎn)，于是時(shí)間的單向性也由相對(duì)性取代了。不過我們要注意，牛頓力學(xué)的時(shí)間可逆性，并不意味著牛頓力學(xué)體系中人可以死而復(fù)生，而是意味著時(shí)間的前后是無窮的，既可流向未來也可流向過去。時(shí)間的流向在牛頓第二定律中是可逆的。這就是時(shí)間流向的相對(duì)性。

牛頓力學(xué)的時(shí)空觀與亞里士多德時(shí)空觀相比，雖然減少了絕對(duì)性，增加了相對(duì)性，但同樣也還保留有絕對(duì)性。牛頓說：“絕對(duì)空間，就其本性來說，與任何外在的情況無關(guān)，始終保持著相似和不變?！薄敖^對(duì)的，純粹的數(shù)學(xué)時(shí)間，就其本身和本性來說，均勻地流逝而與任何外在的情況無關(guān)?！笨臻g可以脫離物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，時(shí)間也可以脫離物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，空間與時(shí)間也無關(guān)系，因此，時(shí)空舞臺(tái)中的空間距離和時(shí)間間隔都是絕對(duì)的。用今天大家熟悉的話說，即長(zhǎng)度和時(shí)間與坐標(biāo)系的選擇無關(guān)，物理定律在相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中形式不變。

總之，牛頓力學(xué)時(shí)空觀，消除了亞氏時(shí)空觀空間點(diǎn)的絕對(duì)性——時(shí)空點(diǎn)的不平權(quán)性和時(shí)間方向的絕對(duì)性——時(shí)間的單向性，而保留著時(shí)空間隔的絕對(duì)性。

四、愛因斯坦相對(duì)性時(shí)空觀

相對(duì)論中同時(shí)性是相對(duì)的。

牛頓力學(xué)中的時(shí)間絕對(duì)性可以用“同時(shí)性”的絕對(duì)性來加以說明。所謂同時(shí)，就是兩事件同時(shí)發(fā)生(時(shí)間間隔為零)之意。通常我們總是認(rèn)為“同時(shí)”這個(gè)概念是絕對(duì)的，不管對(duì)靜止的坐標(biāo)系地球，還是對(duì)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系宇宙飛船都是如此。這表明，在牛頓力學(xué)中對(duì)一個(gè)坐標(biāo)系“同時(shí)”發(fā)生(時(shí)間間隔為零)的事件，對(duì)其他任何坐標(biāo)系也都“同時(shí)”發(fā)生。其實(shí)這個(gè)習(xí)慣并不完全正確。相對(duì)論中同時(shí)性是相對(duì)的，它決定于選用哪一個(gè)參考系，或者說相對(duì)論中時(shí)間間隔是相對(duì)的。當(dāng)參考系變化時(shí)，同時(shí)的事件可能變得不同時(shí)，不同時(shí)的事件可能變得同時(shí)?？梢?，相對(duì)論與牛頓力學(xué)相比，又挖掘出了一個(gè)同時(shí)性的相對(duì)性，或者說又挖掘出了一個(gè)時(shí)間間隔的相對(duì)性。

相對(duì)論中距離概念也是相對(duì)的。

說明距離相對(duì)性的典型理想實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是愛因斯坦火車——地面系統(tǒng)。設(shè)想勻速運(yùn)動(dòng)的火車上有兩個(gè)特定點(diǎn)A′、B′，若在火車上測(cè)量的長(zhǎng)度為L(zhǎng)′，如何在地面上測(cè)量這兩點(diǎn)間的距離呢?愛因斯坦的辦法是在火車飛速馳過時(shí)，由火車和地面上甲乙兩人在給定時(shí)刻分別對(duì)A′B′同時(shí)拍照，測(cè)量A′B′的長(zhǎng)度。由于相對(duì)論中“同時(shí)”性是相對(duì)的，與參照系的選擇有關(guān)，因此，對(duì)不同參照系來說，要按照各自的“同時(shí)”進(jìn)行拍照，這樣導(dǎo)致的結(jié)果顯然是不會(huì)相同的。物體的長(zhǎng)度與坐標(biāo)系的選擇有關(guān)。兩個(gè)相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系，甲看乙的長(zhǎng)度在運(yùn)動(dòng)方向上收縮了，乙看甲的長(zhǎng)度也在運(yùn)動(dòng)方向上收縮了，動(dòng)系和靜系的長(zhǎng)度不相等。相對(duì)論時(shí)空觀又挖掘了一個(gè)長(zhǎng)度的相對(duì)性。

時(shí)間的相對(duì)性與長(zhǎng)度的相對(duì)性表明，世界上沒有絕對(duì)坐標(biāo)系存在，時(shí)空與坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是直接相關(guān)的，不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的坐標(biāo)系中時(shí)間和空間測(cè)量結(jié)果不相同，動(dòng)系與靜系不同時(shí)也不同長(zhǎng)。人類在認(rèn)識(shí)時(shí)空上，又朝消除絕對(duì)性，增加相對(duì)性上邁出了歷史性的一步。

相對(duì)論中，反映上述時(shí)空特性的變換是洛侖滋變換，它給相對(duì)論時(shí)空觀留下了兩個(gè)不變性：其一是光信號(hào)對(duì)時(shí)的唯一性；其二是光速不變性。任何能量的傳遞速度都不能超過光速。此外，在狹義相對(duì)論中，“空”的時(shí)空仍然存在著，時(shí)空仍是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化的舞臺(tái)。沒有物理意義的坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)對(duì)時(shí)空的影響，給物理學(xué)家和哲學(xué)家留下了思索的疑點(diǎn)。時(shí)空難道只是坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)而與物質(zhì)本身的運(yùn)動(dòng)沒有關(guān)系?

我們將要指出，狹義相對(duì)論中觀察世界所用的中介信息——光，是在參照系到坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換中抽掉的。觀察信號(hào)引起的物體時(shí)空形象的變化也在這種轉(zhuǎn)換中變成了坐標(biāo)系的固有屬性。在廣義相對(duì)論中時(shí)空與物質(zhì)的分布有了聯(lián)系，物質(zhì)的分布狀況決定了時(shí)空的彎曲程度。質(zhì)量塊附近，時(shí)空彎曲變形。在彎曲時(shí)空中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)，質(zhì)量塊振動(dòng)，時(shí)空變化，形成引力波。光在彎曲的時(shí)空中運(yùn)動(dòng)，速度的方向也是可變的。與狹義相對(duì)論相比，廣義相對(duì)論消除了時(shí)空的平直性和光速度方向的不變性，這似乎又朝挖掘時(shí)空認(rèn)識(shí)中的相對(duì)性邁進(jìn)了一步。

相對(duì)論時(shí)空觀給科學(xué)技術(shù)進(jìn)步帶來的巨大效應(yīng)是眾所周知的，這應(yīng)歸功于相對(duì)論時(shí)空觀中相對(duì)性的新發(fā)現(xiàn)。然而相對(duì)論仍然留有絕對(duì)性——觀察信號(hào)(光)的唯一性。去掉這個(gè)不變性，或許是完善科學(xué)時(shí)空觀的進(jìn)一步要求。

五、時(shí)空與現(xiàn)代物理學(xué)

總之，現(xiàn)代物理學(xué)意義上的時(shí)空概念起源于牛頓的“絕對(duì)時(shí)空”。絕對(duì)時(shí)空概念使得時(shí)空成為所有物理客體表現(xiàn)的背景。背景化的時(shí)空有利于將歐氏幾何的數(shù)學(xué)特征賦予空間，背景的不變性，使得物理學(xué)家可以排除客觀世界中紛雜的各種聯(lián)系，抓住物理世界的主要矛盾。這為物理學(xué)的科學(xué)化走出了第一步，形成了時(shí)空在物理學(xué)發(fā)展中的第一個(gè)作用：作為背景的時(shí)空。物理學(xué)進(jìn)入20世紀(jì)，僅作為背景的時(shí)空表現(xiàn)出明顯的與經(jīng)驗(yàn)上的沖突，時(shí)空的物理作用通過相對(duì)論的產(chǎn)生被闡釋出來，時(shí)空概念具有了新的內(nèi)涵：它不僅是“舞臺(tái)”，而且成為“演員”。時(shí)空概念表現(xiàn)出它的新的發(fā)展階段：具有物理作用的時(shí)空。宇宙學(xué)和粒子物理的發(fā)展，引力場(chǎng)論、量子場(chǎng)論等當(dāng)代物理理論將時(shí)空的同義詞“場(chǎng)”推到了物理學(xué)研究的最前沿，時(shí)空是一個(gè)物理實(shí)在，作為一種特殊的物理對(duì)象是物理學(xué)的研究重要目標(biāo)。時(shí)空概念又演進(jìn)到了一個(gè)新的階段：成為物理對(duì)象的時(shí)空。時(shí)空概念的地位和作用的變化，體現(xiàn)在人類認(rèn)識(shí)過程中，理性和經(jīng)驗(yàn)、人與物理對(duì)象的相互作用。從人類經(jīng)驗(yàn)綜合和抽象化而得到的概念，不應(yīng)該是靜止的、絕對(duì)化的，而應(yīng)隨著人類的認(rèn)識(shí)和實(shí)踐的發(fā)展而發(fā)展。新近美國的威爾金斯探索衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)宇宙中不僅存在微波背景輻射，而且這種輻射具有各向異性。各向異性的微波背景輻射當(dāng)然不能作為宇宙中整體的絕對(duì)慣性系，但是可不可以作為局域慣性系呢?如果可以的話，那么是不是以太論又在某種程度上復(fù)活了呢?而且時(shí)空的均勻性也只是相對(duì)的?這個(gè)問題不僅是對(duì)狹義相對(duì)論的科學(xué)基礎(chǔ)提出了挑戰(zhàn)，而且更是對(duì)現(xiàn)代科學(xué)哲學(xué)時(shí)空觀的新挑戰(zhàn)。時(shí)空探索任重而道遠(yuǎn)。

人類對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)幾千年來盡管眾說紛紜，但主流脈絡(luò)卻是清晰可見的。在無限時(shí)空與有限時(shí)空的爭(zhēng)論中。無疑無限時(shí)空好像更有說服力。而絕對(duì)時(shí)空與相對(duì)時(shí)空的討論，物理學(xué)中相對(duì)論的誕生，使人們更加確信相對(duì)時(shí)空的優(yōu)越性；神創(chuàng)時(shí)空在物理學(xué)中不可能有人再舊調(diào)重談；廣義相對(duì)論、量子場(chǎng)論，對(duì)非虛空的支持，誠然使人類對(duì)自然界中虛空的存在增加了更多的懷疑。人類對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)在逐漸完善，但人類對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)并沒有窮盡，物理學(xué)的發(fā)展使人類對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)將更加深入、深刻。人類對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)還在發(fā)展中。

自然界中的一切現(xiàn)象都是通過觀察發(fā)現(xiàn)的，而觀察必須引進(jìn)觀察使用的中介信息。不同的觀察信息，有不同的觀察結(jié)果，根據(jù)觀察結(jié)果建立的理論，與觀察信息相關(guān)。同樣，又一個(gè)很自然的問題產(chǎn)生了，如果愛因斯坦相對(duì)論中的觀察信號(hào)，不用光，而用別的什么信號(hào)，所得的時(shí)空框架還相同嗎?顯然，人類對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)與觀察物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的中介場(chǎng)信息的屬性相關(guān)。場(chǎng)信息不同，時(shí)空的表現(xiàn)也各異。

當(dāng)然，還有一個(gè)很自然的問題，就是觀察結(jié)果與觀察者的生理結(jié)構(gòu)相關(guān)。不同生理結(jié)構(gòu)的觀察者，觀察同一個(gè)自然現(xiàn)象所得的結(jié)果，也是不同的。人只是宇宙生物的普通一員，“自然界”是宇宙中“全部生物”觀察結(jié)果的總和。

是否可以這樣說，我們今天習(xí)慣了的時(shí)空，是借助于光(或引力場(chǎng))信息及人的生理結(jié)構(gòu)建立起來的，如果人類一旦能用上述兩種場(chǎng)以外的別的什么場(chǎng)來觀察物體的運(yùn)動(dòng)，或者吸收“另類”生物對(duì)時(shí)空的合理“反映”，那么人類在時(shí)空觀念上將又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)巨大的突破。在那樣的時(shí)空中物質(zhì)的存在形式將可能有新的變化。

責(zé)任編輯 陳金清