歷史上關(guān)于時(shí)間和空間的主要觀念
時(shí)間和空間概念是物理學(xué)、自然科學(xué)甚至整個(gè)人類知識(shí)的基礎(chǔ)，所以擁有正確的時(shí)間和空間概念是從事一切科學(xué)活動(dòng)的前提，下面是小編搜集整理的一篇探究時(shí)間和空間歷史概念的論文范文，歡迎閱讀查看。
1、古希臘人的空間和時(shí)間概念
古希臘的科學(xué)從人類公認(rèn)的第一位哲學(xué)家和科學(xué)家泰勒斯(Thales約公元前624年-公元前546年)算起到古希臘最后一位女?dāng)?shù)學(xué)家希帕提婭(Hypatia)公元415年在亞歷山大城被殺，構(gòu)成一個(gè)長800年左右的歷史[2],時(shí)間和空間概念在不同的時(shí)期，不同的科學(xué)家那里也有所不同。
古希臘對(duì)空間概念的主要觀點(diǎn)有兩種，一是認(rèn)為存在虛空(一無所有的空間)，二是認(rèn)為不存在虛空(空間只是物質(zhì)的廣延性質(zhì)而已)。原子論思想方法的起源是泰勒斯的物質(zhì)起源一元論，泰勒斯認(rèn)為“萬物源于水”,以后有了“萬物源于原子”的原子論學(xué)說，有原子一定有虛空，這樣關(guān)于空間的第一個(gè)明確的概念“原子運(yùn)動(dòng)的場所---虛空”就產(chǎn)生了。亞里士多德對(duì)于空間的觀點(diǎn)是：堅(jiān)持認(rèn)為“一無所有的空間不存在”,因?yàn)榧偃缈臻g一無所有，我們又如何去觀察它呢?又如何知道它存在呢?亞里士多德在他的《物理學(xué)》一書中反復(fù)強(qiáng)調(diào)了他的觀點(diǎn)[3].
2、笛卡爾的空間和時(shí)間概念
近代哲學(xué)之父笛卡爾(Rene.Descartes公元1596-1650年)繼承了亞里士多德的“虛空不存在”的觀點(diǎn)，在他的著作中(如《方法論》《哲學(xué)原理》等)反復(fù)強(qiáng)調(diào)了空間只是物質(zhì)的廣延性質(zhì)，有物質(zhì)才有空間，一無所有的空間不存在的觀點(diǎn)[4].笛卡爾還將這種觀點(diǎn)應(yīng)用于對(duì)物理學(xué)和宇宙學(xué)的研究中。他提出了宇宙學(xué)模型，空間物質(zhì)充滿了整個(gè)宇宙空間，不存在虛空，物質(zhì)的密度可以因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)變化而不同，每個(gè)恒星周圍都存在空間物質(zhì)漩渦，正是這些物質(zhì)漩渦最終形成了太陽系中的各大行星，這樣笛卡爾的宇宙模型可以解釋太陽系的起源，顯然這比牛頓的上帝第一次推動(dòng)解釋更科學(xué)。并且他解釋行星運(yùn)動(dòng)動(dòng)力的來源是物質(zhì)之間的直接相互作用而不是牛頓的超距作用，這一點(diǎn)也顯示了比牛頓高明，法拉第和愛因斯坦的場論觀點(diǎn)繼承了笛卡爾的這種思想。笛卡爾還發(fā)明了笛卡爾坐標(biāo)系，用于精確刻劃質(zhì)點(diǎn)在空間中的位置，為現(xiàn)代科學(xué)奠定了基礎(chǔ)。
文藝復(fù)興時(shí)期，關(guān)于真空是否存在有過激烈的爭論，最后通過大氣壓實(shí)驗(yàn)證明了真空存在，笛卡爾的虛空不存在的觀點(diǎn)被歷史拋棄了。但當(dāng)時(shí)的人們并不知道真空和虛空不是同一個(gè)概念，真空是抽去空氣后留下的空間，但其中并非一無所有，笛卡爾的虛空是嚴(yán)格的一無所有空間，所以真空不是虛空，發(fā)現(xiàn)存在真空并沒有解決虛空是否存在的問題，如果真空空間中的能量密度可以不同，宇宙膨脹可以使真空能量密度降低，那么無限膨脹的宇宙的最終狀態(tài)就是真真空狀態(tài)。所以真空的存在幾乎是肯定的，但要獲得真真空不是一件容易的事，它比從空氣中獲得真空更難，文獻(xiàn)[5]給出了獲得真真空的幾種可能方法。
笛卡爾研究動(dòng)力學(xué)問題，特別是碰撞問題，動(dòng)力學(xué)問題必然要涉及速度和加速度，時(shí)間的概念成為基本概念。但整個(gè)文藝復(fù)興時(shí)期到愛因斯坦為止，時(shí)間和空間是不相關(guān)的，人們頭腦中的時(shí)間概念就是機(jī)械周期運(yùn)動(dòng)中周期的滴答次數(shù)，無論是利用地球的自轉(zhuǎn)周期、公轉(zhuǎn)周期、月亮圓缺周期、還是單擺周期時(shí)間都是用機(jī)械周期計(jì)時(shí)。人們普遍認(rèn)為所有真實(shí)存在的機(jī)械周期運(yùn)動(dòng)都存在誤差，但真實(shí)時(shí)鐘的誤差不是自然時(shí)間造成的，時(shí)鐘背后的自然時(shí)間是均勻流逝的，沒有誤差，這種思想發(fā)展到牛頓那里，就形成了絕對(duì)時(shí)間觀念。
3、牛頓的空間和時(shí)間概念
近代科學(xué)的起點(diǎn)通常以牛頓發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書為標(biāo)志。牛頓(Isaac.Newton公元1642-1727年)是文藝復(fù)興后科學(xué)全面超越古希臘文明的代表人物，也是到目前為止人類公認(rèn)的最偉大科學(xué)家。時(shí)間和空間概念的現(xiàn)代觀念源于牛頓，牛頓在他的《原理》一書中，闡述了他的絕對(duì)時(shí)空觀[6].
牛頓絕對(duì)時(shí)空觀的要點(diǎn)是：(1)時(shí)間均勻流逝，即：時(shí)間流逝的快慢是永遠(yuǎn)不變的，并與其他事物無關(guān)，特別是與空間無關(guān);(2)時(shí)間是無始無終的，任何一個(gè)確定的時(shí)間點(diǎn)之前和之后一定還存在時(shí)間;(3)一只具體的時(shí)鐘的誤差，不是由時(shí)間本身產(chǎn)生的，而是由具體的計(jì)時(shí)方法和裝置產(chǎn)生的，沒有誤差的鐘稱為標(biāo)準(zhǔn)鐘;(4)所有標(biāo)準(zhǔn)鐘一經(jīng)對(duì)準(zhǔn)，無論在何時(shí)何地都是同步的，也就是同時(shí)性是絕對(duì)的。以上4點(diǎn)構(gòu)成了絕對(duì)時(shí)間概念;(5)存在一無所有的虛空，它是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的場所;(6)存在一個(gè)絕對(duì)靜止的.虛空，稱為絕對(duì)空間。相對(duì)絕對(duì)空間靜止或勻速運(yùn)動(dòng)的參照系是慣性參照系。以上兩點(diǎn)構(gòu)成了絕對(duì)空間的概念。(7)時(shí)間和空間相互獨(dú)立，永不相關(guān)。時(shí)間和空間與物質(zhì)無關(guān)，物質(zhì)的存在和運(yùn)動(dòng)不會(huì)改變時(shí)間和空間，時(shí)序和空間位置僅是構(gòu)成運(yùn)動(dòng)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)次序。最后一點(diǎn)給出了絕對(duì)時(shí)空觀的時(shí)間和空間關(guān)系。
牛頓的時(shí)間、空間概念建立在直覺和形而上學(xué)的基礎(chǔ)上，在當(dāng)時(shí)就存在質(zhì)疑，著名的有萊布尼茲(Gottfried.Wilhelm.Leibniz公元1646-1716年)和貝克萊主教。萊布尼茲認(rèn)為：絕對(duì)空間如果是虛空，其中一無所有，就不可能對(duì)人產(chǎn)生直接經(jīng)驗(yàn)，這種脫離感覺經(jīng)驗(yàn)的東西你又如何能證明它存在呢?
運(yùn)動(dòng)是從比較中得到的，絕對(duì)空間的靜止又是與什么比較得到的呢?牛頓的絕對(duì)空間和慣性系存在循環(huán)定義，一方面慣性系需相對(duì)絕對(duì)空間靜止或勻速運(yùn)動(dòng)確認(rèn)，另一方面絕對(duì)空間又需用慣性系中靜止者確認(rèn)。所以牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀存在解釋困難，它武斷地假定空間中一無所有，時(shí)間均勻流逝，但給不出堅(jiān)實(shí)的證據(jù)，所以牛頓力學(xué)的邏輯起點(diǎn)存在問題。后來的相對(duì)論研究表明，絕對(duì)時(shí)空觀只是相對(duì)時(shí)空觀在一定條件下的近似。
4、愛因斯坦的空間和時(shí)間概念
電磁學(xué)理論獲得了巨大的成功，但有一個(gè)問題存在：麥克斯韋方程預(yù)言的電磁波速度沒有指明具體的參照系，邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)也證明光速與參照系無關(guān)。這一結(jié)果和牛頓力學(xué)的速度疊加原理和伽利略變換相矛盾。電動(dòng)力學(xué)中存在著絕對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，如：磁鐵和線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電磁效應(yīng)(線圈中的感生電流)與誰相對(duì)誰運(yùn)動(dòng)無關(guān)，而在牛頓力學(xué)中地球繞太陽轉(zhuǎn)和太陽繞地球轉(zhuǎn)是完全不同的，日心說和地心說的斗爭就是因?yàn)閮烧卟煌嬖�。電磁場可屏蔽，所以不存在全宇宙的背景電場和磁場，引力場不可屏蔽，所以存在全宇宙的背景引力�?遙遠(yuǎn)天體對(duì)本地物體的引力作用)，這種引力場使物體產(chǎn)生了慣性，馬赫原理總結(jié)了這種慣性的起源。電磁力和引力的不同，使應(yīng)用機(jī)械類比方法解釋電磁現(xiàn)象，特別是電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象失敗了。但人類具有追求統(tǒng)一的本能，在傳統(tǒng)方法試圖將電磁現(xiàn)象歸入機(jī)械力學(xué)圖像失敗后，愛因斯坦(Albert.Einstein公元1879-1955年)于1905年發(fā)表了《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》反其道而行之，選擇讓牛頓力學(xué)服從電磁規(guī)律，不但承認(rèn)光速不變，而且假設(shè)所有物質(zhì)運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的(像磁鐵和線圈一樣)，運(yùn)動(dòng)疊加都要滿足光速不變?cè)恚@樣導(dǎo)致了相對(duì)論的產(chǎn)生。如果物質(zhì)運(yùn)動(dòng)需滿足光速不變和自然規(guī)律描述方程參照系協(xié)變，必然導(dǎo)出尺縮鐘慢效應(yīng)(由洛倫茲變換導(dǎo)出)，時(shí)間和空間不再是一成不變的了，這樣就產(chǎn)生了愛因斯坦的相對(duì)時(shí)空觀[7].
愛因斯坦相對(duì)時(shí)空觀的要點(diǎn)是：(1)以不同速度做勻速運(yùn)動(dòng)的慣性系中的標(biāo)準(zhǔn)鐘的快慢不同(固有時(shí)不同);(2)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)慣性系中同一地點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)過的標(biāo)準(zhǔn)鐘在不同地點(diǎn)不同步，也就是同時(shí)性不是絕對(duì)的;(3)時(shí)間是空間相關(guān)的，如果考慮空間中存在強(qiáng)引力，時(shí)間快慢不但可以不均勻，而且可以有始有終(黑洞奇點(diǎn)處時(shí)間停止);(4)這種相對(duì)論時(shí)鐘的快慢變化與具體時(shí)鐘的計(jì)時(shí)誤差無關(guān)，是物理時(shí)空本身造成的;(5)空間與物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)相關(guān)，運(yùn)動(dòng)空間和引力場空間會(huì)收縮，在黑洞的奇點(diǎn)處物質(zhì)的廣延性收縮為零;(6)物質(zhì)存在使空間彎曲，引力是空間的一種性質(zhì)，一無所有的空間不存在[8-11].
5、愛因斯坦公理和物質(zhì)空間概念
亞里士多德、笛卡爾、愛因斯坦都認(rèn)為：一無所有的空間不存在。我們將它稱為愛因斯坦公理。廣義相對(duì)論得出引力是空間的一種性質(zhì)，所以引力和空間不可分割，引力場具有能量密度，又根據(jù)質(zhì)能關(guān)系，一定能量相當(dāng)于一定質(zhì)量，所以空間和物質(zhì)不可分割，一無所有的空間不存在。在分析中通�？捎脽o限稀薄的物質(zhì)空間作為虛空的近似。
從愛因斯坦公理“一無所有的空間不存在”立刻可以得到一個(gè)新的概念：物質(zhì)空間概念。因?yàn)榇嬖诘目臻g中都存在物質(zhì)，所以物質(zhì)和空間不可分離，為了將這樣的空間和虛空區(qū)別，稱這樣的空間為“物質(zhì)空間”.任何物體都在一定的物質(zhì)空間中存在和運(yùn)動(dòng)，沒有例外。魚生活在水空間中，人生活在空氣空間中，恒星存在于真空空間中。
有了物質(zhì)空間概念后就可以引出“物質(zhì)空間層次結(jié)構(gòu)模型”[12],設(shè)想在空氣中一個(gè)玻璃圍成的正方體，將其中的空氣抽掉，就得到真空。根據(jù)愛因斯坦公理，一無所有的空間不存在，所以真空中也存在物質(zhì)，再將真空物質(zhì)抽去，就得到真空的真空，即：真真空。
6、時(shí)間的操作定義
所有時(shí)間只能由物質(zhì)的周期運(yùn)動(dòng)測量，沒有例外。首先假設(shè)無誤差的鐘為標(biāo)準(zhǔn)鐘，這樣可定義時(shí)間為：標(biāo)準(zhǔn)鐘記錄的數(shù)據(jù)就是時(shí)間。任何時(shí)鐘都必然存在于空間中，都必然會(huì)和物質(zhì)空間發(fā)生相互作用，作用的強(qiáng)弱也必然會(huì)影響時(shí)鐘的快慢。通過時(shí)間的操作定義就找到了產(chǎn)生相對(duì)論效應(yīng)的直接物理原因：物質(zhì)和空間的相互作用。牛頓力學(xué)中空間為虛空，空間中一無所有，自然不會(huì)發(fā)生物質(zhì)和空間相互作用，不會(huì)有相對(duì)論效應(yīng);相對(duì)論中空間是物質(zhì)空間，所有物質(zhì)都會(huì)發(fā)生和空間的相互作用，所以必然產(chǎn)生相對(duì)論效應(yīng)[13].
物質(zhì)空間中的時(shí)間和空間概念構(gòu)成了物質(zhì)空間時(shí)空觀。它的最大優(yōu)點(diǎn)是統(tǒng)一了牛頓絕對(duì)時(shí)空觀和愛因斯坦相對(duì)時(shí)空觀。物質(zhì)空間時(shí)空觀中的時(shí)間概念以時(shí)間的操作定義給出，空間概念以愛因斯坦公理為基礎(chǔ)用物質(zhì)空間概念給出。當(dāng)物質(zhì)空間中的空間物質(zhì)密度為有限值時(shí)物質(zhì)空間時(shí)空觀即為愛因斯坦相對(duì)時(shí)空觀，當(dāng)物質(zhì)空間中的空間物質(zhì)密度為無限小值時(shí)，物質(zhì)空間時(shí)空觀為牛頓絕對(duì)時(shí)空觀。
7、愛因斯坦和波爾的爭論及EPR問題的解釋
馬赫原理認(rèn)為物質(zhì)的慣性是宇宙中遙遠(yuǎn)物質(zhì)對(duì)本地物體引力作用的總效應(yīng)[14],假設(shè)虛空中一無所有，則虛空中引力場也沒有，根據(jù)馬赫原理物質(zhì)在虛空中將沒有慣性，任何外力或擾動(dòng)都將使粒子運(yùn)動(dòng)速度加速到無限快，所以在存在四周約束的虛空中，粒子的數(shù)學(xué)描述只能是幾率波。因?yàn)榱Ｗ舆\(yùn)動(dòng)無限快，我們無法判定一個(gè)粒子到底會(huì)出現(xiàn)在何處，這樣微觀粒子的圖像之所以像云，是因?yàn)樗鼈冞\(yùn)動(dòng)得太快了。如果對(duì)粒子的環(huán)境約束是對(duì)稱均勻的，則粒子在空間中的幾率分布也是均勻的，如果約束是非均勻的，則幾率波將呈現(xiàn)非均勻分布，如果環(huán)境約束有周期規(guī)律，則幾率波將呈現(xiàn)量子化分布。這種圖像符合量子力學(xué)揭示的微觀圖像[15].
愛因斯坦和波爾曾經(jīng)為量子力學(xué)的方法論爭論了50年，最后在他們離開人世間時(shí)問題也沒有解決[2].使用物質(zhì)空間和物質(zhì)空間層次概念可以對(duì)兩人的爭論給出一個(gè)相對(duì)合理的解釋。愛因斯坦明確提出引力場是空間的性質(zhì)(空間的彎曲)，相對(duì)論以物質(zhì)在存在引力的真空空間中的運(yùn)動(dòng)為前提討論問題。根據(jù)馬赫原理，虛空中的粒子因?yàn)闆]有慣性可以超光速，而量子力學(xué)的粒子速度概率分布明顯地是以虛空為物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)背景空間(因?yàn)楦鞣N速度分布均存在，包括超光速的速度)，它沒有要求粒子運(yùn)動(dòng)不能超光速，正因?yàn)橄鄬?duì)論和量子力學(xué)對(duì)空間的要求不同所以導(dǎo)致了兩種理論存在深刻的內(nèi)在矛盾。
EPR問題中的量子糾纏態(tài)，可以在比真空更高層次的空間中進(jìn)行，所以沒有光速限制，就像宇宙暴漲沒有光速限制一樣，因?yàn)橛钪姹q不是在真空中進(jìn)行的，而是在真空的真空中進(jìn)行的。這樣就解釋了量子糾纏態(tài)為什么能超光速傳遞的難題，而相對(duì)論的假設(shè)前提是不允許出現(xiàn)這種情況的。所以愛因斯坦和波爾的觀點(diǎn)在他們各自的假設(shè)前提下都是正確的，但兩人說話要求的背景空間不同，真實(shí)的自然空間存在層次結(jié)構(gòu)，正是因?yàn)楝F(xiàn)有理論忽略了這種層次結(jié)構(gòu)，才導(dǎo)致了矛盾的產(chǎn)生。
總結(jié)
本文闡述了歷史上出現(xiàn)的關(guān)于時(shí)間和空間的主要觀念，對(duì)牛頓絕對(duì)時(shí)空觀和愛因斯坦相對(duì)時(shí)空觀給予了詳細(xì)的分析。針對(duì)時(shí)間和空間概念的認(rèn)識(shí)中目前存在的問題，2010年提出的物質(zhì)空間時(shí)空觀有效地解決了有關(guān)問題，并將相對(duì)論看成是物質(zhì)空間力學(xué)在一定條件下的近似，為未來宏觀力學(xué)的發(fā)展提供了方向。
參考文獻(xiàn)：
[1]S.霍金.時(shí)間簡史[M].許明賢，吳忠超，譯.長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2002.
[2]吳國盛.科學(xué)的歷程[M].2版.北京：北京大學(xué)出版社，2002.
[3]亞里士多德.物理學(xué)[M].徐開來，譯.北京：中國人民大學(xué)出版社，2003.
[4]笛卡爾.哲學(xué)原理[M].北京：商務(wù)印書館，1960.
[5]蔡永青，殷建，殷業(yè).真空的存在性問題[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013,34(1):49-52.
[6]牛頓.自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理[M].王克迪，譯.北京：北京大學(xué)出版社，2006.
[7]愛因斯坦.愛因斯坦文集[M].2卷.范岱年，譯.北京：商務(wù)印書館，1977.
【歷史上關(guān)于時(shí)間和空間的主要觀念】相關(guān)文章：
2.給學(xué)生創(chuàng)新的時(shí)間和空間論文
3.時(shí)間和空間的形而上學(xué)闡明和先驗(yàn)闡明