2018历史上关于时间和空间的主要观念

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　　时间和空间概念是物理学、自然科学甚至整个人类知识的基础，所以拥有正确的时间和空间概念是从事一切科学活动的前提，下面是小编搜集整理的一篇探究时间和空间历史概念的论文范文，欢迎阅读查看。
　　1、古希腊人的空间和时间概念
　　古希腊的科学从人类公认的第一位哲学家和科学家泰勒斯(Thales约公元前624年-公元前546年)算起到古希腊最后一位女数学家希帕提娅(Hypatia)公元415年在亚历山大城被杀，构成一个长800年左右的历史[2],时间和空间概念在不同的时期，不同的科学家那里也有所不同。
　　古希腊对空间概念的主要观点有两种，一是认为存在虚空(一无所有的空间)，二是认为不存在虚空(空间只是物质的广延性质而已)。原子论思想方法的起源是泰勒斯的物质起源一元论，泰勒斯认为万物源于水,以后有了万物源于原子的原子论学说，有原子一定有虚空，这样关于空间的第一个明确的概念原子运动的场所---虚空就产生了。亚里士多德对于空间的观点是：坚持认为一无所有的空间不存在,因为假如空间一无所有，我们又如何去观察它呢?又如何知道它存在呢?亚里士多德在他的《物理学》一书中反复强调了他的观点[3].
　　2、笛卡尔的空间和时间概念
　　近代哲学之父笛卡尔(Rene.Descartes公元1596-1650年)继承了亚里士多德的虚空不存在的观点，在他的着作中(如《方法论》《哲学原理》等)反复强调了空间只是物质的广延性质，有物质才有空间，一无所有的空间不存在的观点[4].笛卡尔还将这种观点应用于对物理学和宇宙学的研究中。他提出了宇宙学模型，空间物质充满了整个宇宙空间，不存在虚空，物质的密度可以因为运动变化而不同，每个恒星周围都存在空间物质漩涡，正是这些物质漩涡最终形成了太阳系中的各大行星，这样笛卡尔的宇宙模型可以解释太阳系的起源，显然这比牛顿的上帝第一次推动解释更科学。并且他解释行星运动动力的来源是物质之间的直接相互作用而不是牛顿的超距作用，这一点也显示了比牛顿高明，法拉第和爱因斯坦的场论观点继承了笛卡尔的这种思想。笛卡尔还发明了笛卡尔坐标系，用于精确刻划质点在空间中的位置，为现代科学奠定了基础。
　　文艺复兴时期，关于真空是否存在有过激烈的争论，最后通过大气压实验证明了真空存在，笛卡尔的虚空不存在的观点被历史抛弃了。但当时的人们并不知道真空和虚空不是同一个概念，真空是抽去空气后留下的空间，但其中并非一无所有，笛卡尔的虚空是严格的一无所有空间，所以真空不是虚空，发现存在真空并没有解决虚空是否存在的问题，如果真空空间中的能量密度可以不同，宇宙膨胀可以使真空能量密度降低，那么无限膨胀的宇宙的最终状态就是真真空状态。所以真空的存在几乎是肯定的，但要获得真真空不是一件容易的事，它比从空气中获得真空更难，文献[5]给出了获得真真空的几种可能方法。
　　笛卡尔研究动力学问题，特别是碰撞问题，动力学问题必然要涉及速度和加速度，时间的概念成为基本概念。但整个文艺复兴时期到爱因斯坦为止，时间和空间是不相关的，人们头脑中的时间概念就是机械周期运动中周期的滴答次数，无论是利用地球的自转周期、公转周期、月亮圆缺周期、还是单摆周期时间都是用机械周期计时。人们普遍认为所有真实存在的机械周期运动都存在误差，但真实时钟的误差不是自然时间造成的，时钟背后的自然时间是均匀流逝的，没有误差，这种思想发展到牛顿那里，就形成了绝对时间观念。
　　3、牛顿的空间和时间概念
　　近代科学的起点通常以牛顿发表《自然哲学的数学原理》一书为标志。牛顿(Isaac.Newton公元1642-1727年)是文艺复兴后科学全面超越古希腊文明的代表人物，也是到目前为止人类公认的最伟大科学家。时间和空间概念的现代观念源于牛顿，牛顿在他的《原理》一书中，阐述了他的绝对时空观[6].
　　牛顿绝对时空观的要点是：(1)时间均匀流逝，即：时间流逝的快慢是永远不变的，并与其他事物无关，特别是与空间无关;(2)时间是无始无终的，任何一个确定的时间点之前和之后一定还存在时间;(3)一只具体的时钟的误差，不是由时间本身产生的，而是由具体的计时方法和装置产生的，没有误差的钟称为标准钟;(4)所有标准钟一经对准，无论在何时何地都是同步的，也就是同时性是绝对的。以上4点构成了绝对时间概念;(5)存在一无所有的虚空，它是物质运动的场所;(6)存在一个绝对静止的虚空，称为绝对空间。相对绝对空间静止或匀速运动的参照系是惯性参照系。以上两点构成了绝对空间的概念。(7)时间和空间相互独立，永不相关。时间和空间与物质无关，物质的存在和运动不会改变时间和空间，时序和空间位置仅是构成运动物质的运动次序。最后一点给出了绝对时空观的时间和空间关系。
　　牛顿的时间、空间概念建立在直觉和形而上学的基础上，在当时就存在质疑，着名的有莱布尼兹(Gottfried.Wilhelm.Leibniz公元1646-1716年)和贝克莱主教。莱布尼兹认为：绝对空间如果是虚空，其中一无所有，就不可能对人产生直接经验，这种脱离感觉经验的东西你又如何能证明它存在呢?
　　运动是从比较中得到的，绝对空间的静止又是与什么比较得到的呢?牛顿的绝对空间和惯性系存在循环定义，一方面惯性系需相对绝对空间静止或匀速运动确认，另一方面绝对空间又需用惯性系中静止者确认。所以牛顿的绝对时空观存在解释困难，它武断地假定空间中一无所有，时间均匀流逝，但给不出坚实的证据，所以牛顿力学的逻辑起点存在问题。后来的相对论研究表明，绝对时空观只是相对时空观在一定条件下的近似。
　　4、爱因斯坦的空间和时间概念
　　电磁学理论获得了巨大的成功，但有一个问题存在：麦克斯韦方程预言的电磁波速度没有指明具体的参照系，迈克尔逊-莫雷实验也证明光速与参照系无关。这一结果和牛顿力学的速度叠加原理和伽利略变换相矛盾。电动力学中存在着绝对相对运动效应，如：磁铁和线圈相对运动产生的电磁效应(线圈中的感生电流)与谁相对谁运动无关，而在牛顿力学中地球绕太阳转和太阳绕地球转是完全不同的，日心说和地心说的斗争就是因为两者不同而存在。电磁场可屏蔽，所以不存在全宇宙的背景电场和磁场，引力场不可屏蔽，所以存在全宇宙的背景引力场(遥远天体对本地物体的引力作用)，这种引力场使物体产生了惯性，马赫原理总结了这种惯性的起源。电磁力和引力的不同，使应用机械类比方法解释电磁现象，特别是电动力学现象失败了。但人类具有追求统一的本能，在传统方法试图将电磁现象归入机械力学图像失败后，爱因斯坦(Albert.Einstein公元1879-1955年)于1905年发表了《论动体的电动力学》反其道而行之，选择让牛顿力学服从电磁规律，不但承认光速不变，而且假设所有物质运动都是相对的(像磁铁和线圈一样)，运动叠加都要满足光速不变原理，这样导致了相对论的产生。如果物质运动需满足光速不变和自然规律描述方程参照系协变，必然导出尺缩钟慢效应(由洛伦兹变换导出)，时间和空间不再是一成不变的了，这样就产生了爱因斯坦的相对时空观[7].
　　爱因斯坦相对时空观的要点是：(1)以不同速度做匀速运动的惯性系中的标准钟的快慢不同(固有时不同);(2)在一个运动惯性系中同一地点对准过的标准钟在不同地点不同步，也就是同时性不是绝对的;(3)时间是空间相关的，如果考虑空间中存在强引力，时间快慢不但可以不均匀，而且可以有始有终(黑洞奇点处时间停止);(4)这种相对论时钟的快慢变化与具体时钟的计时误差无关，是物理时空本身造成的;(5)空间与物质和运动相关，运动空间和引力场空间会收缩，在黑洞的奇点处物质的广延性收缩为零;(6)物质存在使空间弯曲，引力是空间的一种性质，一无所有的空间不存在[8-11].
　　5、爱因斯坦公理和物质空间概念
　　亚里士多德、笛卡尔、爱因斯坦都认为：一无所有的空间不存在。我们将它称为爱因斯坦公理。广义相对论得出引力是空间的一种性质，所以引力和空间不可分割，引力场具有能量密度，又根据质能关系，一定能量相当于一定质量，所以空间和物质不可分割，一无所有的空间不存在。在分析中通常可用无限稀薄的物质空间作为虚空的近似。
　　从爱因斯坦公理一无所有的空间不存在立刻可以得到一个新的概念：物质空间概念。因为存在的空间中都存在物质，所以物质和空间不可分离，为了将这样的空间和虚空区别，称这样的空间为物质空间.任何物体都在一定的物质空间中存在和运动，没有例外。鱼生活在水空间中，人生活在空气空间中，恒星存在于真空空间中。
　　有了物质空间概念后就可以引出物质空间层次结构模型[12],设想在空气中一个玻璃围成的正方体，将其中的空气抽掉，就得到真空。根据爱因斯坦公理，一无所有的空间不存在，所以真空中也存在物质，再将真空物质抽去，就得到真空的真空，即：真真空。
　　6、时间的操作定义
　　所有时间只能由物质的周期运动测量，没有例外。首先假设无误差的钟为标准钟，这样可定义时间为：标准钟记录的数据就是时间。任何时钟都必然存在于空间中，都必然会和物质空间发生相互作用，作用的强弱也必然会影响时钟的快慢。通过时间的操作定义就找到了产生相对论效应的直接物理原因：物质和空间的相互作用。牛顿力学中空间为虚空，空间中一无所有，自然不会发生物质和空间相互作用，不会有相对论效应;相对论中空间是物质空间，所有物质都会发生和空间的相互作用，所以必然产生相对论效应[13].
　　物质空间中的时间和空间概念构成了物质空间时空观。它的最大优点是统一了牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对时空观。物质空间时空观中的时间概念以时间的操作定义给出，空间概念以爱因斯坦公理为基础用物质空间概念给出。当物质空间中的空间物质密度为有限值时物质空间时空观即为爱因斯坦相对时空观，当物质空间中的空间物质密度为无限小值时，物质空间时空观为牛顿绝对时空观。
　　7、爱因斯坦和波尔的争论及EPR问题的解释
　　马赫原理认为物质的惯性是宇宙中遥远物质对本地物体引力作用的总效应[14],假设虚空中一无所有，则虚空中引力场也没有，根据马赫原理物质在虚空中将没有惯性，任何外力或扰动都将使粒子运动速度加速到无限快，所以在存在四周约束的虚空中，粒子的数学描述只能是几率波。因为粒子运动无限快，我们无法判定一个粒子到底会出现在何处，这样微观粒子的图像之所以像云，是因为它们运动得太快了。如果对粒子的环境约束是对称均匀的，则粒子在空间中的几率分布也是均匀的，如果约束是非均匀的，则几率波将呈现非均匀分布，如果环境约束有周期规律，则几率波将呈现量子化分布。这种图像符合量子力学揭示的微观图像[15].
　　爱因斯坦和波尔曾经为量子力学的方法论争论了50年，最后在他们离开人世间时问题也没有解决[2].使用物质空间和物质空间层次概念可以对两人的争论给出一个相对合理的解释。爱因斯坦明确提出引力场是空间的性质(空间的弯曲)，相对论以物质在存在引力的真空空间中的运动为前提讨论问题。根据马赫原理，虚空中的粒子因为没有惯性可以超光速，而量子力学的粒子速度概率分布明显地是以虚空为物质的运动背景空间(因为各种速度分布均存在，包括超光速的速度)，它没有要求粒子运动不能超光速，正因为相对论和量子力学对空间的要求不同所以导致了两种理论存在深刻的内在矛盾。
　　EPR问题中的量子纠缠态，可以在比真空更高层次的空间中进行，所以没有光速限制，就像宇宙暴涨没有光速限制一样，因为宇宙暴涨不是在真空中进行的，而是在真空的真空中进行的。这样就解释了量子纠缠态为什么能超光速传递的难题，而相对论的假设前提是不允许出现这种情况的。所以爱因斯坦和波尔的观点在他们各自的假设前提下都是正确的，但两人说话要求的背景空间不同，真实的自然空间存在层次结构，正是因为现有理论忽略了这种层次结构，才导致了矛盾的产生。
　　总结
　　本文阐述了历史上出现的关于时间和空间的主要观念，对牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对时空观给予了详细的分析。针对时间和空间概念的认识中目前存在的问题，2010年提出的物质空间时空观有效地解决了有关问题，并将相对论看成是物质空间力学在一定条件下的近似，为未来宏观力学的发展提供了方向。
　　参考文献：
　　[1]S.霍金.时间简史[M].许明贤，吴忠超，译.长沙：湖南科学技术出版社，2002.
　　[2]吴国盛.科学的历程[M].2版.北京：北京大学出版社，2002.
　　[3]亚里士多德.物理学[M].徐开来，译.北京：中国人民大学出版社，2003.
　　[4]笛卡尔.哲学原理[M].北京：商务印书馆，1960.
　　[5]蔡永青，殷建，殷业.真空的存在性问题[J].吉林师范大学学报：自然科学版，2013,34(1):49-52.
　　[6]牛顿.自然哲学之数学原理[M].王克迪，译.北京：北京大学出版社，2006.
　　[7]爱因斯坦.爱因斯坦文集[M].2卷.范岱年，译.北京：商务印书馆，1977.