试论经典时空观与现代时空观的区别

试论经典时空观与现代时空观的区别
摘要：比较经典时空观与现代时空观的区别，阐述相对论时空观的主要思想。

关键字：时空观、经典时空观、现代时空观、相对论时空观
“天地者万物之逆旅，光阴者百代之过客。

”人类生存于天地之间，漫步于时间长河，对空间与时间的思考萦绕于一代又一代人的心头，从哲学家、诗人、到物理学家，古今先哲们对其不断探索与完善，逐步形成与发展着人类的“时空观”。

一、：纵观人类文明，时空观大致经历了三个时期：
1时空观的变革历程古老“天圆地方”的平直时空观；
2以“经典力学”为理论基础的绝对时空观；
3以“光速不变”为理论基础上的相对论时空观；
近年来又有人提出了以“混沌分形”为理论基础上的新时空观，建立在“光速改变”（VSL）新理论基础上的时空观和建立在“超弦理论”基础上的多维时空。

其中，目前人们公认的在科学史上比较有影响的是牛顿的绝对时空观（即经典时空观）和爱因斯坦的相对论时空观（即现代时空观）。

下面我们将在由经典时空观向现代时空观的变革中比较二者的区别
二、经典时空观与现代时空观的区别：
经典时空观：
李白诗句有云：天地者万物之逆旅，光阴者百代之过客。

他便把时间与空间看作是两个互不关联的概念。

在李白之前和之后，许多人也持和他一样的观点——绝对时空观。

在中国，后期墨家提出了“宇”、“久”作为空间、时间概念，并认识到空间、时间与具体实物运动的一定联系及空间与时间的一定联系。

在西方，古希腊德谟克利特认为空间是物质运动的条件，亚里士多德用“地点”概念来表示空间，认为时间是连续的。

近代时空观是在自然科学发展的基础上形成的，哥白尼的日心说指出地球的运动不会破坏地球上的自然秩序，这一见解是揭示空间均匀性的重大的步骤。

由于地球是运动的，地面上物体的运动并不是指向宇宙中某一不动的地点，而是指向地球。

这样相对运动的观点便呈现出来。

伽利略对哥白尼体系作了科学的论证，它认为，因为物体运动的相对性，所以描述物体运动是必须选定一个对比物，物理学称为参考物，并提出了"力学相对性原理"，指出力学规律在所有的惯性系中都相同，并且给出了两个惯性系之间的时空坐标的变换关系。

牛顿总结了前人的成就，建立了牛顿力学的理论体系。

在牛顿的力学方程中，没有宇宙中心的地位，任何时空点都是相对的。

从不同的参考系看，描述物体运动的运动学量(如坐标，速度，位移，轨迹等等)，可以不同，但在两个以速度v沿x轴方向有相对运动的参考系S(x，y，z，t)，S/(x/，y/，z/，t/)
描述同一物理事件的时空坐标满足伽利略变换。

这个时空变换集中的反映了牛顿的时空观，牛顿的时空观的主要观点是:
1承认时间，空间客观存在；
2时间和空间与物质及其运动无关。

时间坐标系和空间坐标系是完全脱离物质而独立存在的;时间间隔与空间间隔在不同的惯性系中保持不变;即时间，空间观念与物质运动状态无关；
3 时间和空间彼此无关，各自独立存在。

自从十七世纪以来，牛顿力学不断发展并取得了巨大的成就，以牛顿力学为基础建立了天体力学，应用力学等等，从地面上的各种物体的运动，各种现代化交通工具及天体的运动，都服从牛顿力学的规律，这些充分的说明了牛顿力学规律的正确性。

十九世纪末，以牛顿力学为基础的经典物理理论，在解释新实验事实时遇到了困难。

现代时空观：
电磁理论的发展和十九世纪中叶麦克斯韦方程建立后，绝对时空观面临着严峻的局面。

按麦氏方程中存在的常数c，表明电磁波或光在真空中沿各个方向均以不变的速度c传播，这与伽利略相对性原理发生了矛盾。

因为据绝对时空观的经典速度合成定理，在不同惯性系中，光的传播速度不应在各个方向均相同。

似乎只有在某一特殊参考系中，麦氏方程才取标准形式，光才在各个方向上均以c 传播。

人们曾引入“以太”假设，认为“以太”充满宇宙空间并绝对静止，光是“以太”介质中的波动。

相应于“以太”的惯性系就是那个特殊参考系。

这样，“以太”就充当了“绝对空间”的角色。

通过测定物体相对于“以太”的“绝对运动”所引起的“以太风”就可期望找到“以太”。

然而，尽管人们赋予“以太”各种各样光怪陆离的性质，仍难自圆其说。

且反复实验的结果都是否定的，根本发现不了“以太风”。

相反却证明了在任何惯性系中光速都是不变的。

1887年的迈克尔孙——莫雷实验可看作否定“以太”的判决性实验，这使得牛顿绝对时空观遇到了根本性的困难。

1905年，爱因斯坦创立狭义相对论。

提出了两条基本假设：
1)相对性原理:物理规律在所有的惯性系中都可以表示为相同的形式。

2)光速不变原理:真空中的光速相对于任何惯性系沿任一方向恒为c，并与光源运动无关。

这两条原理构成狭义相对论的基础，且从本质上改变了牛顿绝对时空观。

既然按相对性原理，一切物理规律在任何惯性系中都相同，一切惯性系都是平权的，没有哪个惯性系更优越，这就使绝对空间的概念失去了意义。

绝对时空观实际上包含着这样一个假定：存在信号传播的无限大速度，物质的相互作用是一种“瞬时超距作用”。

所以存在“绝对时间”。

爱因斯坦摒弃了“以太”观点，取消了无限大速度的溉念，认为真空中的光速c是信号传播的极限速度，这就动摇了绝对时间的基础，从而接触到了时间和空间的相对性问题，揭示了空间和时间之间某种普遍而新颖的联系，引起人类时空观的变革。

爱因斯坦狭义相对论时空观的基本思想可概括为：
１同时的相对性：根据狭义相对性原理，惯性系是完全等价的，因此，在同一个惯性系中，存在统一的时间，称为同时性，而相对论证明，在不同的惯性系中，却没有统一的同时性，也就是两个事件(时空点)在一个关性系内同时，在另一个惯性系内就可能不同时，这就是同时的相对性，在惯性系中，同一物理过程的时间进程是完全相同的，如果用同一物理过程来度量时间，就可在整个惯性系中得到统一的时间。

在今后的广义相对论中可以知道，非惯性系中，时空是不均匀的，也就是说，在同一非惯性系中，没有统一的时间，因此不能建立统一的同时性。

2钟慢效应：相对论导出了不同惯性系之间时间进度的关系，发现运动的惯性系时间进度慢，这就是所谓的钟慢效应。

可以通俗的理解为，运动的钟比静止的钟走得慢，而且，运动速度越快，钟走的越慢，接近光速时，钟就几乎停止了。

3尺缩效应：尺子的长度就是在一惯性系中"同时"得到的两个端点的坐标值
的差。

由于"同时"的相对性，不同惯性系中测量的长度也不同。

相对论证明，在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，这就是所谓的尺缩效应，当速度接近光速时，尺子缩成一个点。

4运动物体质量增大：相对论根据质能公式将运动动能折算成质量的一种思维方式。

通常物质停止运动一定要将原来运动所具有的动能全部释放出去，所以说物质的静止质量是不变的。

但是如果物质由运动静止，并没有向环境释放任何形式的能量，那么物质的动能就被固化了，也就变成为质量，从而质量增大了。

综上所述爱因斯坦关于同时的相对性、运动的时钟变慢、运动的空间收缩和运动的质量变大这四个观点已经彻底颠覆了牛顿的绝对时空观念。

而爱因斯坦在把狭义相对论加以发展，将引力也纳入考虑之中建立起来的广义相对论引入的四个原理让我们对时空有了新的认识。

其广义相对性原理如下：一是等效原理既在加速运动的场所观测出现的惯性力在本质上与引力没有区别，如在下落的箱子中，引力被惯性力完全抵消，引力滑失，这就是等效原理。

二是引力使光线弯曲，因为光在运动时有质量，所以也受到万有引力作用，因此光线在地球或太阳附近发生了弯曲，这可以通过日全食时对隐藏在太阳后面星体的观测得到证明。

黑洞也是光线弯曲或受到引力作用的一个证明。

三是引力使空间发生弯曲，质量大的天体使光线弯曲，光在空间弯曲的部分也是直线行进，其结果就是在大质量的天体附近空间发生了弯曲，或者说整个宇宙是一个卷曲的空间。

四是引力使时间流动变慢，引力越强，时间流动的越慢，在引力特别强的黑洞附近的天体，离它越近，时间流动越慢。

如果行进到黑洞视界，时间甚到会停止。

与狭义相对论不同的是，在引力强的地点，时间流动不是相对变慢，而是必然变慢，这一点在全球定位系统的运行中，已经得到了证明，且科学家们如果不去修正由于引力变化引起的时钟效益，卫星系统定位就不会在准确了。

总之，爱因斯坦狭义相对论的时空观可概括为：
1两个时间在不同的惯性系看来，它们的空间关系是相对的，时间关系也是相对的，时—空不互相独立，而是不可分割的整体，只有将空间和时间联系在一起才有意义;
2有物质才有空间和时间，空间和时间与物质运动状态有关；
3光速c时建立不同惯性系间时空变换的纽带。

三、总结：
虽然爱因斯坦的相对论时空观得到大多数人的认可，但牛顿的贡献绝不亚于爱因斯坦，他们的智慧结晶将同他们一起永载史册。

科学巨匠们的智慧让我们敬仰与向往，相信追求真理的路上，后继者定会长江后浪推前浪。