空间时间是什么(1)

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空间、时间是什么?别人在很小 的时候就已经搞清楚了,而我的智力 发育迟,长大了也未搞清楚,于是, 我一直揣摩这个问题。结果就比别人 钻得深一些。
——爱因斯坦
空间时间是什么(1)
二 时空观及其革命 (二章二节)
(一) 时间、空间概念
1 时间和空间是物质的存在形式。 时间是其持续性、前后相继的顺序性; 空间是其广延性、伸张性和与它事物的 距离等。
在日常生活中,人们 的这种观念已表现为各种 稀松平常的“生活习惯”。
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时空观
当我们说:“这个鸡
蛋真大”、“这个西瓜太
小”时,决不会真的以为
鸡蛋会比西瓜大。
早晨,特别是严寒冬
天,起床号吹响:“今夜
怎么这么短,我才刚刚睡
下”。
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时空观
第四节课,肚子饿了: “这节课怎么这么长” 。
时空观 / 近代
要解除绝对时空观的思想禁锢需要 科学材料。在马克思的时代,虽然提出 了辩证时空观的原理,但尚找不到科学 依据,因为那时候科学的眼界还停留在 地球上寻常事物中。哲学作好准备,耐 心地等待着科学的发展。
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时空观 / 近代
(三) 爱因斯坦相对论和 时空观念革命
科学事实终于出现了。即本世纪初 的爱因斯坦相对论。这是一场震撼人心 的科学革命事件,引起了一场深刻而彻 底的观念革命。
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时空观 / 近代
牛顿时空观在理解和处理日常生
活是没有疑义的。在解决地地球上我们通常
认为的“科学”的和“技术”的问题时,有
广泛的普适性,而且已经很精确。但是,用
来说明整个世界的根本问题却行不通。就如
高速飞行的飞机里,机舱壁上围着一块污迹
爬行的苍蝇用它的经验来解释飞机的运动一
样。
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时空观 / 历史
3 近代形而上学绝对时空观
我们现在生活在一个高度标准化的时 代,标准化已成为我们生活中的习惯,熟 悉到忘记的程度。
全球分为24个时区,人们在可以用相 互简单换算的“东京”、“格林威治” 、 “纽约”、“北京”时间来旅行、通讯、 生产、作息-----
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只能是:彼岸世界、上帝。
因此,现实的时间和空间,只能 是无限的。
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时空概念
(二)时空观的历史发展
1 时空观
可以这样表述:时空观 是人们对于时间、空间的看 法或观点的总称。包括:对 时空的认识(科学的或经验 的)、理解(理智的或直观 的)和期望。
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时空观
1 时空观是最通 俗、最经常的日常 观念之一。
的原则,又向广义相对论进军。 经过10年
的探索,在狭义相对论的基础上,加上引
力场作用,1915年11月,爱因斯坦完成了
他的论文《广义相对论的基础》,同时,
解决了长期困扰物理学界的勒维烈水星近
日点运动。
广义相对论
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从此图开始以下三张背景为现代数学“混沌学”的计算机绘制图形
在《广义相对论》一文中,爱因斯坦的思想 已炉火纯青,理论范围极大,概念十分清晰,对 所有参照系都适用。经典的守恒定律失去了原有 的意义,仅仅成了一些恒等式,过去曾权威的引 力对物体运动的影响失去了意义。时空与物质密 切相关,是运动着的物质存在的方式。“空间、 时间未必能被看作是一种可以离开物理实在的实 际客体而独立存在的东西。物理客体不是在空间 之中,而是这些客体有着空间的广延。” 彻底 地否定了牛顿的绝对时空观。
• 面对一个小孩子,你能把他的年龄、形 体从他身上“剥离”下来吗?
• 要理解一个具体事物有自己的时空性质 并不难。困难在于理解没有绝对独立的 时、空。即没有什么事情发生而“白白 流逝”的时间和没有事物的“空框子”。 这方面的论证我们放在稍后再讨论。
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时空概念
5 客观性
对时、空的客观性的理解和对 运动客观性的理解一样即:时间、 空间并非“独立实在”的客体,它 们的客观性是作为物质的存在形式 而被物质所赋予的。
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时空观
3 一定的时空观是人们暴露和表达自 己心灵的“窗口”。
• 有的人,生活在理想的未来,现实总使 他牢骚满腹。
• 有的人,向后看,生活在旧日的辉煌和 陈芝麻烂谷子的恩怨之中;
• 有的人,只生活在脚下一滩烂泥之中。
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时空观
历史学家的眼光在纵览千年上 下,天文学家的眼界以光年计;政 客的眼光盯着自己上方的权力的宝 座;庸人的眼光只在自己的鼻尖。
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狭义相对论
而当v相当大,大到接近于光速c时:
这就是“尺缩效应”和“钟慢效应”。当然,
这种效应仅相对静止参照系而言,在运动中,时
间和空间的感觉依然如常。
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狭义相对论
这种效应当然引起了人们的无穷
想象:如果有一对双胞胎兄弟,
在他们20岁那年,其中一个兄弟乘坐速
度为 0.99c的火箭遨游太空,而另一位兄
这样,人们逐渐形成了这样的时空观:
时间象一个均匀流逝的“带子”,与事件过 程本身性质无关,各种事物和过程,只不过在这 “带子”上打下“印记”而已。空间好比一个 “箱子”。放进东西或取走东西,箱子依然存在。 先祖们的朴素时空观完全被抛弃了,时间、空间 与事物及过程完全割裂。这就是“绝对时空观”, 又称“牛顿时空观”。
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广义相对论
广义相对论因很快得到科学的证实 而引起轰动,爱因斯坦提出的若干假说 令人瞠目结舌。数十年来,它们一一被 科学观测所证实。至今天,还未发现一 例与之不相符的观测。现列如下:
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广义相对论
1)红移现象假说
爱因斯坦预言:由于引力场的作用,大质 量星球的光谱线会移向光谱红端,即光的引 力频移。
一位60岁的老人感叹道: “三十八年过去,弹指一挥 间”;而如果对一位八岁的 孩子说:“你都这么大了, 只差十几年就要结婚了。” 他能理解吗?
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时空观
都知道刷一次牙可能要用几分钟而决 不会一上午,吃一顿饭可能吃几小时决不 会一个礼拜;
电影、电视中的“好人”被押上刑场, 刽子手已举起屠刀即将砍下的一刹那,一 定会有一个暗器正好打在举起屠刀的那只 手上;日本鬼子对群众架起机枪,就要扣 动扳机的一瞬间: 一定要有一个声音响起: “住手,我就是你们要找的八路军”。
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【1】 狭义相对论(1905年)
1905年6月发表在德国《物理学杂志》 上的一篇论文《论动体的电动力学》。文章只有几 页,既没有文献引证,又没有权威著作的援引,一 开始便单刀直入地提出绝对静止是不可能成立的。 接着,提出光速不变公设,论证“同时性”没有意 义,和他著名的变换方程。这就是后人所称“狭义 相对论”。同年9月,发表《物体惯性同它所含的 能量有关吗》一文。只有三页,文中推导出著名的 质能相关式E=mc2.。物体的质量是能量的量度,轻 而易举地开辟了新的能源——原子能。当年爱因斯 坦26岁。是瑞士小城空伯间时尔间是尼什么专(1) 利局的一个狭义小相职对员论。
1924年,亚当斯(W•Adams)对天狼星伴星的 观察,1923年—1928年五年中持续不断地对太阳表 面Fe 、Ti、 Cu光谱观测,与预言相符。1958年穆 斯保尔(R •L• Moss Bauer)效应发现后,实验室 中利用γ射线实验也与预言相符。
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广义相对论
2)恒星位置假说
时空观 / 古代
我国先哲,猜测到了时空的无限。 “天地四方为宇,古往今来为宙”。 “一尺之锤,日取其半,乃世不竭。” “有始也者,有未始有始也者,有未始有
夫未始也者,有有也者,有无也者,有未始 有无也者,有未始有夫未始有无也者---” (庄子 ·齐物论)
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时空观 / 古代
随着人们相互交往的经常和扩展,需要
狭义相对论
我们过去熟知的非常权威的测量标
准和方法,实际上只适用于地球上大物
体的低速运动。但我们却以为这就是一切运动
的规则。
下面,我 们将爱因斯坦 的计算公式简 化,简单计算 一下:
tˊ=β(t±v/c2 x), βˊ=β(x-vt)x, yˊ= y, zˊ=z.
(缩小因子)β=1/√1- (v/c)2
可以拿生活中常见的事打比方。如果我们站 在铁轨旁,看到火车有如一条线从眼前开过。而 如果我们坐在火车里,就只感到颠簸和摇晃。我 们生活在地球上,不感到它在运动,而如果在月 球上看,会看到地球在飞快旋转(1100m/秒)。 如果站在太阳上看,会看到地球在飞快地奔驰 (3000m/秒)。
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据说,爱因斯坦还是一个十四 岁的中学生时,一次突然想象,如 果自己乘坐一列火车追着一束光前 进,会看到什么?
答案是:会看到光不再是一束 “光线”,而是原地振动的点。这 就是著名的“追光详谬”。
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狭义相对论
“追光详谬”其实是一种参照系的 变换。静止参照系变为运动参照系, 观测者“参与” 运动之中。
弟留在地球上,一年以后,那位21岁的
太空游子返回地球,会发现自己的同龄
兄 弟 已 是 74 岁 的 老 翁 了 。 这 就 是 人 称
“双胞胎详谬”的想象。
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狭义相对论
狭义相对论的 观念革命意义在于:
⑴ 将时、空的测量标准和方式 与实际事物的时、空性质区分开来。
打破了过去以为测量就是时空本身 的误解,“影子就是影子”,“地图绝不 是领土”。
时空观 / 近代
中国生产的车箱,日本生产的铁轨,欧 洲生产的车头,由美国人在非洲组装,火车 就能飞驶。
买来遥远美洲生产的电器,不用耽心插 不上家里的插座。
市场上到处充斥着“进口零件,国内组 装”的产品。
如果有朋友自洛杉矶飞来,查询班机时 刻表,就能准时去机场接机。
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时空观 / 近代
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时空观
2 古代朴素的时空观
在我们的先祖那里,时、空与实际事物紧密联 系。例如:
“二指宽”、“五十步”、“头发丝那么细”、 “一顿饭功夫”、“一眨眼间”、“下次月园”、 “树叶又黄了三次”、“燕子飞来”。
鲁迅先生写小说《采薇》时,用:“大约烙几 张饼的功夫” 来描述时间。
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时空观
2
一定的时空观是人们理解世 时空观
界的“框架”,体现了他的胸襟和
眼界。
都知道:“站得高才能看得
远”,生活的狭窄造成胸襟的狭隘。
“井底之蛙”这口井便是它的全部
世界。
春生夏死的蝉不明白冬天,朝
生暮死的蜉蝣不理解黑夜。古人说:
“曾经沧海难为水”。 空间时间是什么(1)
相传有一个人跟邻居争 执一尺房基地,老母亲写 一封信给城里当宰相的儿 子,希望他来“压”一下 邻居。 儿子回信却说:“让他三尺又何妨?”
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时空概念
6 有限性与无限性
可表述为:具体事物、现象有 开端和结束、有形状和边沿,因而 是有限的。而作为物质存在形式的 时间和空间是无限的,无始无终, 无边无际。
时空概念
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可用反证法来证明:
如果时间有开端和结束,那么,开端 以前是什么?结束以后是什么?如果空间 有边际,那么。边际之外是什么?
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狭义相对论
⑵ 打破了绝对时空观对人们长达数百 年的统治,为辩证时空观提供了科 学依据。
⑶ 使牛顿的理论成为非常有限范围内 的特殊理论,打破了长期以来对人 们思想的禁锢。
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狭义相对论
【2】广义相对论(1915)
狭义相对论完成后,爱因斯坦基于把
相对性原理贯彻到底的信念和哲学认识论
爱因斯坦预言,由于引力作用,光线实际 上是弯曲的,因此,我们平时观测到的恒星 位置是有误差的。大约在1.74″ 。
一些共同的“标准”,于是,人们约定了一
些测度时间和空间的“尺度”和“标准”,
如:
Βιβλιοθήκη Baidu
两手伸开——一码,
两手对起来——一呎
“一箭之地”,“一炷香功夫”,太阳当
顶是“午时”,昼夜相交之中是“子时”,
一个月按月亮的盈亏分为“晦”、“望”若
干日等等。
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时空观 / 古代
以后,标准日愈完善 和准确,渐渐取代了事物本 身的地位,就好像一个人的 影子取代了主人的地位,人 倒成了影子的附属一样。
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时空概念
2 空间的特点是它的三维性 指的是任何现实的存在都只能在三个方向
上体现自己的广延、伸张和与它事物的距离。
3 时间的唯一特性是它的一维性 时间只有一个方向。这是由于物质运动不
可能完全等同地重复。因而又称“不可逆性” 或“一去不复返性”。
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时空概念
4 时间空间与物质运动不可分割
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