物理小论文--时空观的变迁历程

物理课程小论文——时空观的变迁历程

【关键词】物理；时间；空间；时空观

【摘要】时空观是关于时间和空间的根本观点。时间和空间是物理学的基本概念,它是反映物质及其运动规律的最一般的概念。在人类认识自然界的不同阶段, 人类对时间和空间的认识是不同的。人类对时间和空间的看法(时空观)贯串于科学发展的始终。人类时空观的演变,大体分为三个时期,几何学时代、动力学时代和相对论时代。

【正文】

时空观概述

时空观关于时间和空间的根本观点。时空观是在自然科学发展的基础上形成的，是在人类长期的生产活动和生活历史实践过程中形成的。

时空观历史

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“地动说”为唯物主义时空观的形成创造了条件。布鲁诺、伽利略主张时间、空间是物质存在的绝对形式，并提出时空无限的思想。笛卡尔指出时间的特性是持续性，空间的特性是广延性，认为广延性是一切物体的共同属性。牛顿提出“绝对时间”、“绝对空间”的观点，系统地阐发了机械唯物主义的时空观。近代的唯心主义思想家贝克莱认为时间、空间是人的感觉的产物；莱布尼兹提出时空是精神性实体的单子的特殊表现形式；康德认为时空是人们用以整理感性材料的先天直观形式，黑格尔则认为时间、空间是绝对观念发展到一定阶段的产物。

近代唯心主义时空观否认时间、空间的客观性，但也包含着一些辩证法的合理成分。辩证唯物主义批判地继承了以往各派哲学的时空观，指出时间和空间是运动着的物质存在的基本形式，是物质固有的普遍属性，时间和空间与运动着的物质是不可分的。辨证唯物主义承认时间、空间的客观性、绝对性和无限性，同时又承认时间和空间的具体形态和具体特性具有多样性、相对性和具体事物时空的有限性。

物理时空观：

经典时空观：物质、时间与空间都无关的时空观

相对论时空观：物质、时间与空间相关的时空观

人类对时空的认识经历了漫长的历史演变过程。

归纳起来可分为三个历史阶段：

一、旧的时空观——几何学时代的时空观

经历从远古到古代两个小的阶段

（一）、远古平面时空观

在远古时代人类的活动范围很小，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从经验中产生了。对于上下四周的“空间”概念，由于大地在可观测范围内是在平面上可以向四面八方延展，古人便认为平面上哪一个方向都是可以随意运动，无限沿伸的，但上下的方向却有些特殊。高处的东西可以自然下落，而低处的东西却不能自然反“掉”上来，因此“空间”的上下是不可颠倒的，是绝对的。

为了比较空间的大小，古人需要创造空间的测量方法。古人是基于一个最基本的概念，这就是客观物体的长度（时空量度）是固定不变的，要不，统一单位就没有意义了。这是人类对空间概念认识的第一个历程。

一切自然现象都在运动和变化之中，“过程”的流逝是一切自然现象和人类活动的基本特征。盘古开天地，耶酥创世纪，都代表记时的开始。人类从“过程”的流逝中抽象出了时间概念。并注意到，一切周期变化的过程都可以用来作为时间的测量单位。古人根据观察到周期变化于是发明了测量时间的各层次记时单位。在古人眼中，“钟”是相同的，测量结果也应一样，古人对事物具体“过程”的长短也认为是固定不变的，或者用今天的话说，古人在日常经验中看不出“时间”与物体“运动状态”有什么联系。

古人对时间的认识还有另一个重要特点，那就是时间的单向性。人死了不能复生，过程的不可逆，带来了时间认识上的单向性。时间的发展方向总是从过去流向未来的。

空间的上下不等价，时间的前后不等价，长度、时间间隔的不变性、这就是人类远古的平面时空观。

（二）、古代球对称时空观

两千多年前亚里士多德和托勒密建立了“地球中心说”。在亚里士多德的理论体系中，人类生活的大地不是平板式的，而是圆球形的。这是时空观的第一次大革命。

在球体上，上与下的概念就变为相对。在球体的一边认为是朝上的方向，而在球体的另一边则被看作是向下的方向了。上与下的空间概念，一下子由唯一的180度的直线方向转而变成了360度的任意方向！上与下是相对的，空间的各个方向是等价的，没有哪一个方向具有特别的优越性，这就是空间方向的相对性。空间方向由绝对到相对，人类在认识时空上迈出了关键的一步。

亚里士多德球面时空观空间虽然空间方向是相对的，但仍然保留着空间位置的绝对性。地球的球心就是宇宙的中心，每个物体在运动中只要没有阻挡，都力图达到各自的天然位置，亚里士多德说这是落体运动的真正原因。在亚里士多德的时空观里，在支配万物运动的自然规律中，地球球心这个点具有决定性的作用。这就是空间点的绝对性。即空间虽然具有各向同性的性质，但空间各点的位置并不等价。

亚里士多德的理论基本上是一个定性的理论，几乎没有定量的物理定律，因此理论对时间的理解并没有什么新的突破，时间仍是过程流逝的伴随物，一切过程的时间测量也与坐标系的选取无关，时间是绝对的，而且具有单向性。

总之与远古平面时空观相比，亚氏时空观消除了空间方向上的绝对性，而保留了其它绝对性。

总结说来，旧的时空观的主要观点是:

1.承认时间和空间是客观存在的。

2.在空间概念中,认为“上”和“下”是相对的, 宇宙是有限的、是有中心的。

3.承认时间是无限的,认为天体运动是永恒的,但没有涉及宇宙有无起源、即时间有无起点的问题。

这一时代的时空观没有说明时间和空间两者的关系,也没有涉及时空与物质及其运动的关系,它承认宇宙是有中心的,并认为圆运动是天体最完美的运动。它忽略了物质运动的复杂性和多样性,并且没有从物质的相互作用去寻找轨道的动力学理论。这一时代的时空观更多的是依赖直觉和大胆的推测及思辨而得出的。

二、动力学时期的时空观——经典力学的时空观

这一时代的时空观的代表人物是哥白尼、伽利略和牛顿。牛顿的绝对时空观是这一时期时空观的集中反映。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,他认为,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。