论时空观

目录摘要...................................................1关键词...................................................1Abstract..................................................1Keywords................................................1前言.....................................................11.绝对时空观............................................11.1伽利略相对性原理..............................................21.2绝对时间和绝对空间............................................21.3牛顿的绝对时空观..............................................22.相对时空观............................................42.1狭义相对论的基本原理..........................................42.2爱因斯坦相对性原理............................................42.3光速不变原理..................................................42.4相对时空观....................................................43.牛顿时空观与爱因斯坦的时空观的不同之处................4结论.....................................................6参考文献.................................................61论时空观摘要:我们这里注重一种“回到事情本身”的理路,从牛顿的具体文本出发,结合其思想生态和思考问题的可能理路乃至心理学特征等,在梳理出绝对时空观产生的思想渊源和内容主旨的基础上,从历史承继关系、逻辑推论程序、科学解释功能、哲学辩护基础和宗教心理情结等多维视域下指认出了其生成的必然性与合理性。但是随着时间的推移，爱因斯坦的狭义相对观以及其他一些物理学家也提出了自己对于时空的概念。关键词:牛顿时空观，绝对时间，绝对空间，狭义相对论，经典时空；Space-timetheoryAbstract:Wehereonabacktotheconceptof,thethingitselffromNewton'sspecifictext,combiningwiththethoughtsoftheecologicalandthinkingandpsychologicalcharacteristicsmayapproach,theabsolutetime-spaceproducedintheoriginandcontentsofbasis,fromthehistoricalrelation,logicalreasoningprocess,scientificexplanationfunction,philosophyandreligionpsychologicalcomplexdefendsuchmultidimensionalconceptoffingeritsinevitabilityandrationality.Butastimewenton,Einstein'srelativityrelativeconceptandsomeotherphysicistsalsoputsforwardtheconceptofspace-timein.RegardlessofwhethertheexistenceofNewtonoracorrectconceptofspace-timeNewton.Keywords:Newton'sconcept,absolutetimeandabsolutespace,relativity,classicspacetime；前言：有关牛顿绝对时空观的优劣评骘曾是学界争论的话题断点。可我们的问题是：牛顿在进行纯粹科学研究时何以要提出绝对时空观?在当时特定的科学语境下,但作为牛顿纲领的重要组分,其真实寓意和价值究竟何在?只有弄清这些问题,才能澄清一些思想误区,进而把握住现代科学大厦的结构框架。因此我们首要的任务就是去了解牛顿时空观的构建基础：牛顿的绝对时空观，绝对时间和绝对空间。1.绝对时空观21.1伽利略相对性原理牛顿力学（也叫经典力学）研究的是物体的运动，运动就是物体的位置随时间变化，为了定量研究这种变化，必须选定适当的参考系。处理实际问题时，可以选用不同的参考系，相对于任一参考系分析研究物体运动时，都要应用基本力学定律。这就出现了一个问题，对不同的参考系，基本力学定律的形式完全相同吗？牛顿力学回答是：对任何惯性参考系，牛顿定律都成立。即在任何惯性系中观察，同一力学现象将按同样的形式发生和演变，对不同的惯性系，力学定律的形式都是一样的。这个结论叫力学的相对性原理，也叫伽利略不变性[1]。1.2绝对时间和绝对空间任何物体的运动都离不开时间和空间，相对不同的参考系，时间和长度的测量结果是一样的，时间和空间是绝对的[1]。牛顿在《自然哲学的数学原理》中说：绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着并且由于它的本性而均匀地，同任何一种外界事物无关的流逝着。例如，在两个任意的惯性参考系S和S'中，对任意一个参考系中同时发生的两件事，在另一参考系看来也一定同时发生。对两个事件的时间间隔，在任意参考系中所测得的结果是相同的。在牛顿力学中，时间是绝对的，它不随进行量度的坐标系而变化[1]。牛顿在《自然哲学的数学原理》中还说：绝对空间，就其本性而言，与外界任何事物无关，而永远是相同的和不动的。例如，在两个任意的惯性参考系S和S'中，将棒沿ox或o'x'放置，在S和S'中所测量的长度是相同的。在牛顿力学中，长度是绝对的，即空间的量度是绝对的，它不随进行量度的坐标系而变化[1]。这种时间、空间彼此独立而且与物质运动无关的时空观称为绝对时空观。1.3牛顿的绝对时空观牛顿绝对时空观的内容主旨、牛顿绝对时空观的系统表达是在《自然哲学之数学原理》开篇的“定义”中。他先是定义了力学体系中几个最基本的概念，如质量、运动、力、外力、向心力,接着在此后的“注释”中引出了有关时间、空间、处所和运动等概念的分析。他认为,一般人在理解时空时,往往习惯于从可感事物的联系中来理解,因而就产生了误解。“为了消除误解,可方便地把这些量分为绝对的与相对的,真实的与表象的以及数学的和普通的”。为了便于让一般人所理解,牛顿接着又对处所、运动和静止作了分析。“处所是空间的一个部分,为物体占据着,它可以是绝对或相对处所,随空间的性质不同而定。绝对运动是物体由一个3绝对处所迁移到另一个绝对处所;相对运动是由一个相对处所迁移到另一个相对处所。[2]对于稍有些物理常识的人来说,这些似乎并无多少艰深晦涩之处,牛顿只是将常人所理解的时间、空间、处所、运动、静止等概念由日常的、世俗的、感性的理解扩展到了一个更为辽阔的视域疆场,而这一场域恰恰又是常人在不经意间所忽视的部分——绝对的、真实的、数学的,因而也是想象的、不动的时空与运动。任何相对时空、处所、运动和静止,总是对应于一种绝对而言的,无绝对就无相对。没有想象中的、不变的绝对空间的存在,就必定没有可感的、现实的和变化着的相对空间可言。同样,对于时间、处所、运动和静止亦然。我推测,牛顿这里的意图实际地是在为各种可感的、物理现象寻求出某种固定的、可以依凭的参照。许多专家分析,牛顿的逻辑首先是让人们通过物体相对运动的某些性质,以感知到绝对运动的存在,而绝对运动本身恰恰蕴含着绝对时空的存在。其次是运用部分与整体的关系来确认出绝对时空和绝对运动的存在。[2]最后,他对物体运动过程中的各种受力状况作了分析,并辅以典型案例予以形象性解释。“真实与相对运动之所以不同,原因在于施于物体上使之产生运动的力。绝对运动与相对运动的结果的区别是飞离旋转运动轴的力。在纯粹的相对转动中不存在这种力,而在真正和绝对运动中,该力的大小取决于运动的量。”[2]依据该思路,要证明或测量绝对运动的存在,并由此间接证明出绝对时空的存在,可通过对作用于真实运动的原因和结果的力的考察来进行。或许牛顿觉得此论证过于抽象,甚或有逻辑循环之嫌,于是他便以水桶实验加以辅证说明。假设用一根绳子系着装有水的水桶(容器),如果我们用力扭转绳子而使水桶旋转,结果会出现这样的状况:一开始,水桶旋转,但水桶中的水因惯性的影响而保持静止，所以水面是平行的,这说明水相对于水桶尽管发生了相对运动,但相对于水桶下面的地球而言,水仍保持相对静止状态。随后,伴随着水桶的继续旋转,水中的水在离心力的作用下作加速运动,这样,水会沿着水桶壁上升,此时水面呈凹面状,这说明水相对于水桶下的地球而言尽管是运动的,但相对于水桶却又是静止的。就是说,水的静止或运动(因力的作用而作加速度旋转)都不是相对于某一具体参照物(如水桶)而言的,而是相对于绝对空间而言的。倘若相对于某个具体物而言,就会出现“水本动却显静”或“水本静却显动”的悖论,而要真正表征出水4的状态(静或动),只有相对于某个绝对不动的空间才有可能,因而绝对空间是真实存在着的2.相对时空观2.1狭义相对论的基本原理牛顿力学是在17世纪建立起来的,在以后两个多世纪里,牛顿力学对科学的和技术的发展起了很大的推动作用,其自身也得到了很大的发展。进入20世纪时,物理学开始深入发展到高速和微观领域,人们发现牛顿力学在这些领域不适用。一切与速度有关的力都不具有伽利略变换的不变性,光速与光发射体的运动无关，不遵从伽利略变换。重新定位伽利略变换，改造经典力学，需要寻求对电磁理论和改造后的力学定律均相符的“新变换”。爱因斯坦对这个问题进行了深入的研究,在1905年发表了《论动体的电动力学》,建立了狭义相对论,狭义相对论使许多世纪形成的时空观发生了一场革命,对近代物理和科学技术的发展产生了深远的影响。2.2爱因斯坦相对性原理在所有的惯性系中,物理定律的形式都是相同的。即不存在任何一个特殊的惯性系,所有惯性系平权[3]。爱因斯坦相对论的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无关，相对论颠覆了人类对宇宙和自然的常识性观念，提出了“时间和空间的相对性”，“四维时空”，“弯曲空间”等全新概念。2.3光速不变原理在任何惯性系中,光在真空中的速率都相等[3]。就是在看起来这样简单的且最一般的的两个假设的基础上，爱因斯坦建立了一套完整的理论──狭义相对论，把物理学推进到了一个新的高度。2.4相对时空观狭义相对论认为:（1）对所有物理规律，一切惯性系都是等效的,光速是绝对的；（2）时间是相对的,空间是相对的,质量也是相对的[4]（3）时空是对称的、关联的、相对的，是与物质运动紧密联系的；（4）长度收缩和时间膨胀效应是时间和空间的基本属性之一，与具体的物质属性或物理过程的机理无关,长度收缩和时间的膨胀是相对,是洛伦兹变换的必然结果,长度收缩和时间的膨胀是相对3.牛顿时空观与爱因斯坦的时空观的不同之处5光速不变性决定了事件的“间隔”是绝对的，不随参考系而异，时间和空间共同构成“时空”四维统一体，称为阂可夫斯基空间，一种简洁优美的四维形式。可以认为时间是第四维，而宇宙间的一切事物总是以一个固定的速度光速C，在时空里运动。运动事物的钟慢足因为它在时间里的部分运动转移为空间运动了，以光速在空间中运动的事物则没有了在时间里的运动，所以光不会变老。虽然光在真空