时空,时间与空间的简略集合名词(时间+空间)。
是力学、物理学、天文学和哲学的基本概念。在力学和物理学中,这些概念是从对物体及其运动和相互作用的测量和描述中抽象出来的;涉及物体及运动和相互作用的广延性和持续性。
哲学上,空间和时间的依存关系表达着事物的演化秩序。涉及的发散性概念有周易里的“乾坤“,道家的“道“以及孔孟之道的大成智慧。
时、空都是绝对概念,是存在的基本属性。但其测量数值却是相对于参照系而言的。
“时间“是抽象概念,表达事物的生灭排列。其内涵是无尽永前,其外延是一切事件过程长短和发生顺序的度量。“无尽“指时间没有起始和终结,“永前“指时间的增量总是正数。
“空间“是抽象概念,表达事物的生灭范围。其内涵是无界永在,其外延是一切物件占位大少和相对位置的度量。“无界“指空间里任一点都居中,“永在“指空间永现于当前时刻。
因为在狭义相对论中,光速是测量时、空的共同尺子,时、空的变化在此共尺上表现依存规律,即遵从洛伦兹变换。所以,时、空的测量数值是相对于具体惯性系的,如同时性在测量上不是绝对的,相对于某一参照系为同时发生的两个事件,相对于另一参照系可能并不同时发生;长度和时段在测量上也不是绝对的,运动的尺相对于静止的尺变短,运动的钟相对于静止的钟变慢。光速在狭义相对论中是绝对量,对于任何惯性参照系光速都是常量c。
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。
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。