汉语词语
基本信息
词目时空
拼音 shí kōng
注音 ㄕㄧˊ ㄎㄨㄙ
基本解释
[time and space] 时间和空间
任何事物都处于一定的时空之中
引证解释
指时间和空间
陈原社会语言学2.5为打破时空的限制人们发展了书面语即文字萧乾一本褪色的相册一它能冲破时空局限使生活从平面变为多棱多角
物理概念
理论
历史与概念
空间和时间也是人类文明中一些最古老的概念
远古时期原始的耕作放牧需要丈量大地顺应天时产生了简单的空间和时间的概念及其度量方法
在中国古代早就有上下四方曰宇往古来今曰宙之说这里的宇和宙就是空间和时间的概念这也是原始的三维空间和一维时间的概念并和宇宙密切联系起来
近代科学的发端必然涉及空间和时间的概念及其测量方法近几个世纪以来力学物理学和天文学对空间和时间的认识大体上可分为相互交织的两条线索
从以牛顿力学和麦克斯韦电磁理论为代表的空间-时间概念经过狭义相对论和广义相对论发展到现代宇宙论这是一条线索
同时从经典力学经过量子论量子力学和量子场论到追求量子引力超弦和M理论这是另外一条线索
物理学对于空间和时间的认识还存在着一些基本问题有待解决还在不断地发展
绝对时空
通常为确定一物体的大小要知其形状和尺寸
对于长方体知其长宽和高利用欧几里得几何的公式就可计算其体积只要知道它相对于另一个可忽略大小的静止参照物的上下左右和前后距离同样利用欧几里得几何就够了
描述运动物体的瞬间位置还不够还需要知道瞬间的速度和加速度由此可抽象出三维空间坐标系和一维时间坐标的概念物体的运动性质和规律与采用怎样的空间坐标系和时间坐标来度量有着密切的关系为了确定惯性系L.牛顿抽象出三位绝对空间和一位绝对时间的观念绝对空间满足三维欧几里得几何绝对时间均匀流逝它们的本性是与在其中的任何具体物体及其运动无关的相对于绝对空间的静止或匀速直线运动的物体为参照物的坐标系才是惯性系
在经典力学中任意一个物体对于不同的惯性坐标系的空间坐标量和时间坐标量之间满足伽利略变换在这组变换下位置速度是相对的空间长度时间间隔运动物体的加速度是绝对的或不变的时间测量中的同时性也是不变的相对于某一个惯性参照系的两个事件是否同时发生是不变的相对于某一个惯性参照系同时发生的两个事件相对于某一个惯性参照系同时发生的两个事件相对于其他惯性参照系也必定是同时的称为同时性的绝对性牛顿力学的所有规律包括万有引力定律在伽利略变换下其形式是不变的这一点可以抽象为伽利略相对性原理力学规律在惯性参照系的变换下形式不变同时不变性与守恒律密切相关运动物体在伽利略变换下的时间平移不变性对应于该物体的能量守恒在伽利略变换下的空间平移和空间转动不变性对应于该物体的动量守恒和角动量守恒
牛顿力学定律及其在伽利略变换下的不变性促成对牛顿的绝对空间概念的怀疑
如果存在绝对空间物体相对于绝对空间的运动就应当是可以测量的
这相当于要求某些力学运动定律中应含有绝度速度但是在牛顿力学规律中并不含绝对速度换言之牛顿力学定律的正确性并不要求一定存在绝对空间
在牛顿提出绝对空间概念之后先后有人对这种观念提出异议事实上没有有力的证据表明存在绝对空间然而随着牛顿力学和万有引力定律的极大成功牛顿的绝对空间和绝对时间的概念也一直在自然科学界和哲学界占据主导地位
但是在牛顿体系中无法建立简单的宇宙图像
一种简单的宇宙图像是在无限大的绝对空间和无穷长的绝对时间中无限多恒星或星系在其中大体静止平均光度大致均匀然而这种朴素的宇宙图景在万有引力的作用下是不稳定的而且连为什么夜间天空是黑暗的这样简单的问题都无法回答
19世纪J.C.麦克斯韦总结出电磁学的基本规律麦克斯韦方程组这组方程中出现了光速C随后又发现了电磁波
受牛顿绝对空间和绝对时间观念支配的物理学界自然认为在绝对空间中充满着以太麦克斯韦方程仅在相对于绝对空间静止的惯性参考系中成立电磁波是以太的波动
这种观念的必然推论是在地球这个相对于绝对空间运动的系统中麦克斯韦方程仅近似成立电磁学或光学实验应该能够测量出地球相对于以太的漂移速度
但是所有这类实验都得到否定的结果这表明忽略地球的非惯性运动的效应麦克斯韦方程仍成立并不存在以太漂移这样牛顿的绝对空间和以太观念都受到了挑战
相对时空
20世纪初A.爱因斯坦提出了狭义相对论扩展了伽利略相对性原理不仅要求力学规律在不同惯性参照系中具有同样形式而且要求其他物理规律在不同惯性参照系中也具有同样的形式
爱因斯坦还假定在不同惯性参考系中单程光速C是不变的据此不同惯性系的空间坐标和时间坐标之间不再遵从伽利略变换而是遵从非齐次洛伦兹变换
根据这类变换尺的长度和时间间隔即钟的快慢都不是不变的高速运动的尺相对于静止的尺变短高速运动的钟相对于静止的钟变慢
同时性也不再是不变的或绝对的对某一个惯性参照系同时发生的两个事件对另一个高速运动的惯性参照系就不是同时发生的
在狭义相对论中光速是不变量因而时间-空间间隔简称时空间隔亦是不变量一些惯性系之间除了对应于时间平移和空间平移不变性的能量守恒和动量守恒之外还存在时间-空间平移不变性因而存在能量-动量守恒律根据这一守恒律可导出爱因斯坦质量-能量关系式这个关系在原子物理与原子核物理中极为基本
狭义相对论否定了19世纪以太的存在电磁波是电磁场自身的波动这样场就成为与实物有所不同的物质形式
同时这也否定了牛顿的绝对空间和绝对时间并通过光速不变原理把一维时间和三维空间联系了起来成为相互联系的四维时间-空间H闵科夫斯基首先发现了这一性质因而称为闵科夫斯基时空四维闵科夫斯基时空的几何是度规具有符号差的欧几里得几何其不变群就是非齐次洛伦兹群
狭义相对性原理要求所有的物理规律对于惯性参考系具有相同的形式然而把引力定律纳入这一要求并不符合观测事实爱因斯坦进而提出描述引力作用的广义相对论再一次变革了物理学的时间-空间观念
按照广义相对论如果考虑到物体之间的惯性力或引力相互作用就不存在大范围的惯性参照系只在任意时空点存在局部惯性系不同时空点的局部惯性系之间通过惯性力或引力相互联系存在惯性力的时空仍然是平直的四维闵科夫斯基时空
存在引力场的时空不再平直是四维弯曲时空其几何性质由度规具有符号差的四维黎曼几何描述时空的弯曲程度由在其中物质物体或场及其运动的能量-动量张量通过爱因斯坦引力场方程来确定
在广义相对论中时间-空间不再仅仅是物体或场运动的舞台弯曲时间-空间本身就是引力场表征引力的时间-空间的性质与在其中运动的物体和场的性质是密切相关的
一方面物体和场运动的能量-动量作为引力场的源通过场方程确定引力场的强度即时空的弯曲程度另一方面弯曲时空的几何性质也决定在其中运动的物体和场的运动性质
如太阳作为引力场的源其质量使得太阳所在的时空发生弯曲其弯曲程度表征太阳引力场的强度最邻近太阳的水星的运动轨迹受的影响最大经过太阳边缘的星光也会发生偏转等等
广义相对论提出不久天文观测就表明广义相对论的理论计算与观测结果是一致的
然而20世纪中后期的研究表明在物理上可以实现的条件下广义相对论的时间-空间必定存在难以接受的奇异性在奇点处时间-空间亦即引力场完全失去意义这是广义相对论在理论上存在问题的表现
宇宙的整体性
对于空间和时间的认识一直与宇宙的认识密切相关现代宇宙论以宇宙学原理和爱因斯坦引力场方程为基础
宇宙学原理认为宇宙作为一个整体在时间上是演化的即有时间箭头在空间上是均匀各向同性的
20世纪中期提出的大爆炸宇宙模型解释了河外星系红移预言了宇宙微波背景辐射对于宇宙的演化星系的形成轻元素的丰度等都能给出了基本上与天文观测相一致的解释也解决了牛顿体系无法建立宇宙图像的问题
可以说宇宙作为一个演化的整体的认识的一个重要成就和标志然而前面提到的奇点却又处在宇宙大爆炸的起点或星系核或黑洞的中心这就给宇宙起源星系演化带来新的问题
量子理论的时空观
20世纪初物理学从经典力学到量子理论的变革对于空间和时间的观念同样引起了革命性的变化也引起物理学界的窘迫
量子力学描述的系统的空间位置和动量时间和能量无法同时精确测量他们满足不确定度关系经典轨道不再有精确的意义等如何理解量子力学以及有关测量的实质一直存在争论20世纪末关于量子纠缠量子隐形传输量子信息等的研究对于时间-空间密切相关的因果性定域性等重要概念也带来新的问题和挑战
量子力学与狭义相对论的结合导致的量子电动力学量子场论电弱统一模型包括描述强作用的量子色动力学在内的标准模型虽然取得很大成功但也带来一些挑战性的疑难在深刻改变着一些有关时间-空间的重要概念的同时也带来了一些原则问题
如真空不空存在着零点能和真空涨落大大改变了物理学对于真空的认识
在此基础上量子电动力学的微扰论计算可给出与实验精密符合的结果然而这个微扰展开却是不合理的对称性破缺的机制使传递弱作用的中间玻色子获得质量然而黑格斯场的真空期望值和前面提到的零点能在一定意义上相当于宇宙常熟其数值却比天文观测的宇宙学常数大了几十到一百多个数量级
量子色动力学描述夸克和胶子之间的互相作用但夸克和胶子却被囚禁在强子内部至今没有发现自由的夸克和胶子这个问题可能与真空的性质相关
另一方面量子理论预示在10^-33厘米10^-43秒这样小的空间-时间尺度上空间-时间的经典概念将不再适用要解决这个问题必须建立理论上自洽的量子引力理论即量子时空理论然而量子理论和广义相对论如何结合一直没有解决一个或许有希望的候选者是超弦理论或M理论
可是在量子意义上自洽的超弦理论或M理论只能在一维时间-九维空间或一维时间-十维空间上实现
这就引起一些深刻的问题如何回到一维时间-三维空间为什么现实的空间是三维的时间是一维的或许宇宙仅仅是高维时空中的一片可称之为膜然而从高维空间-时间回到四维空间-时间显然有不止一种方法那么在膜宇宙以外是否可能存在其他的膜宇宙在宇宙产生于大爆炸之前是否还会有其他的阶段等这些问题的研究和解决与暗物质暗能量以及宇宙常数等问题都有着密切的联系
宇称不守恒
力学和电磁学规律对于把惯性参考系从左手系变为右手系是不变的把时间反号也是不变的这些称为空间反演和时间反演不变的规律性与空间和时间的概念密切相关同时还存在与这些对称性相联系的正反电荷对称性但在微观粒子的弱相互作用中空间反演不变时间反演不变和正反电荷反演不变这类规律性不再成立从20世纪中期李政道和杨振宁提出宇称不守恒并为实验证实开始物理学正逐步认识到这一点不过至今还不清楚更深刻的本质是什么
暗能量和宇宙常数
20世纪90年代末以来天文观测有了很大的进展已经确定看不见的暗物质和与通常的能量完全不同的暗能量至少分别占据宇宙中总的物质和能量的两成和七成以上宇宙常数为正约为10^-52厘米^-2这样宇宙空间-时间就不再是渐近平坦的而应该是渐近正的常曲率时空但是对于正的常曲率时空不仅超弦或M理论具有原则上的困难通常的量子场论量子力学乃至经典力学都会遇到困难因为在理论上还没有公认的方式自洽地定义物理和力学的可观测量至于宇宙常数的数值为什么这样小也是一大难题
结论
在历史上任何一个阶段人类对于空间和时间的认识都不是完备的不存在问题的只不过有些问题一时没有发现而已人类对于空间和时间的认识正是这样不断地提出问题解决问题在实践中不断深化着
其它相关
认识
下面这段文字并非出自科学理论更像空想家即兴之作但对于时空的思考有一定的启示意义
存在与虚无是世界的本原形式为变化的存在时空即出于此
1空间由物质存在运动变化的规律性决定
2空间是有限无界的又是相对无限的
时空(11张)3空间位置的差异实质上也是规律的差异
4空间的维度是无穷的
5变化是全向的但其作为时间本原又是单向的
6空间处于变化层面上构筑上层建筑宇宙
7时间与空间是相互依存的
8时间空间而已看做是一个扭曲的图形看似无限其实是有限
9对时间空间与运动的思考空间和时间是虚拟的思维感觉有找不着离不开的真实感受
10空间无限包容所有存在包括物质及非物质的存在
11时间无限充满空间与所有存在密不可分
穿越方法
时空(1张)
还有一种理论即使超越光速也是在事情发生之后折射出的事情的光影也就是说你能超越光速去当时光影看到事情经过你无法去影响它的发生
我们在第三章中已经阐述过什么是时间和什么是空间并认为通过强能场或力场的手段是无法使时间倒流也不可能以超光速使时间倒流相对高速的运动只会让单位时间延缓即一秒的时间的嘀～嗒间隔拉长而从空间角度我们也从第三章中了解空间是宇宙基态真空而不是相对论中的重力场或引力场线构成的因此即使有方法制造出超空间也一样不可能穿越时空回到过去同样如果利用某些特殊的天体如黑洞的强大力场也是不可能令时空倒流因此我们也许会失望地看到电影星际迷航中的黑洞时空穿梭隧道其实是忽悠人的方法
而同样现代物理学中的超弦理论去寻找物质体的最小本源的弦这种拥有十一维空间结构的概念一样不会提供虫洞孔洞的途径让我们去穿越时空这些只是幻想都是由相对论里对时空错误理解而引发后来的理论对时空的认知
尽管如此也不代表绝对无法穿越时空至少在相对论等现代物理学的范畴里我们还是可以延缓时间去未来的至于回到过去也不是绝对没有方法的我在早期研读现代物理学的基础理论时也曾非常失望过认为我们的宇宙绝对不可能提供一个时空穿梭的途径但是后来我在我所逐渐拓展的对宇宙起源和宇宙结构的认知的基础上我找到一种可能的渠道请注意这个方式可能是可行的但整个过程仍旧有许多科学技术无法突破的障碍
但还有一种说法认为时间处于第四维空间并超高速运动三维空间所有事物相对其静止如果顺或逆时针超高速指超过时间运动的速度运动则有可能穿越时间
基态真空
在第二章中我们介绍了空间折叠而在介绍空间折叠中我们引入了一个概念这也可能是现代物理学忽略的一点基态真空为0能量即没有一切形式的能量包括振动波动等一切形式能量而在第三章中我们也简单介绍了什么是时间中也解释了时间是能场或力场的表现人们的感性认知那么从中我们可以看到基态真空是0能量的同时时间也为0.
也许你会发问真空基态真空不是会因为西格斯机制自发破缺能量元吗而我可以告诉你基态真空在相对地球上的我们人类历史小范围时间上甚至基态真空中的某些区域可能是非常稳定实际上我们应该已经发现我们各个时期地球历史时间上的基态真空的时间都为0.也就是说基态真空的0时间映射着我们宇宙可视世界里的所有相对时间历史
图基态真空映射的地球历史时间其小范围内基本是稳定的可视基态真空的时间为0时间我要说的意图已经很明显地从图中看出穿越时空的方法就是要进入基态真空0速度初始惯性系状态不要忘了我们所处的世界是相对基态真空以无限大速度的粒子形态世界由于宇宙的背景空间场或是U惯性系能量场/也可能是宇宙常数衰退的缘故真空中的光速变成了可视世界里的最快的速度极限并且真空光速比早期宇宙的真空光速要慢的多了要想进入基态真空进行时空倒流就要先突破光障除此之外即便能侥幸进入0能量0时间状态中也不一定能找得到相对时间的方向也许你反而会到未来甚至莫名的地方
在本章所阐述的时空穿梭的方法还有一个疑问当时间机器从A时间回到过去的B时间时A时间里的宇宙总能量就会比B时间少这个总能量的减少可能会导致基态真空的某些区域异常使原本稳定的区域0时间0能量场不稳定从而使时空穿梭的 频次受到影响有可能令回到过去的人无法随时回到原来的时空中
隧道理论
时空隧道从一个时间一个地点到另一个时间另一个地点的通道
形态
据美国太空网报道根据一项最新研究表明时空是平滑的而不是泡沫状的这项研究成果可能意味着在这方面爱因斯坦的理论战胜了其后的许多量子物理学家
爱因斯坦的广义相对论预言由于地球的自转效应地球周围的时空将不仅仅是凹陷的还会存在一些扭曲这一结果被美国宇航局的引力探测器B所证实
在广义相对论中爱因斯坦将时空描述为在根本上是光滑的只有在受到能量或物质的作用下才会发生扭曲然而一些量子物理学家们对此持有不同意见他们认为时空并不是连续的而是由大量微小的粒子组成的这些粒子不断出现和消失而根据此次最新的研究结果在这个问题上爱因斯坦可能是正确的
一个科学家小组对三颗穿越漫长恒星际空间的光子开展追踪这些光子是从大约70亿光年外的一次伽马射线爆发事件中被释放出来的在经过漫长的旅途之后在2009年5月这些光子最终被美国宇航局的费米伽马射线空间望远镜捕捉到每颗光子之间的时间间隔仅有1毫秒
研究的结果强烈支持爱因斯坦的理论这些来自伽马射线暴事件的光子波长极短因此按道理它们将可以和量子物理学家们所提出的时空泡沫颗粒发生反应
如果这种泡沫真的存在那么这3颗光子在其长途跋涉中其路径应当会受到轻微影响研究者指出考虑到这种情况这3颗光子几乎同时抵达费米望远镜的几率是非常低的
因此从此次探测结果来分析这项结果对于认为时空泡沫存在的量子论是一个重大打击尽管这还并非致命性的一击该项研究的第一作者密歇根理工大学科学家罗伯特·涅米洛夫(Robert Nemiroff)表示如果这种泡沫真的存在那么其粒径必定要小于普朗克长度这就可能意味着需要涉及其它的物理学领域所谓普朗克长度是一种几乎小到难以置信的长度单位其具体数值大约相当于一颗氢原子直径的万万亿分之一
涅米洛夫本周三已经将相关研究结果提交美国天文学会第221次会议他说这里当然可能存在统计误差或者这种时空泡沫和光子之间的相互作用是以一种和我们目前的设想不同的方式进行的如果这项研究成立那将产生重大意义
在一份声明中路易斯安那州立大学科学家布莱德利·施莱弗(Bradley Schaefer)表示如果未来对于伽马射线暴的研究能够证实这项研究结果那么就说明我们可能已经了解到有关宇宙的一些非常基本的性质