歷史上關于時間和空間的主要觀念
時間和空間概念是物理學、自然科學甚至整個人類知識的基礎，所以擁有正確的時間和空間概念是從事一切科學活動的前提，下面是小編搜集整理的一篇探究時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間概念
古希臘的科學從人類公認的第一位哲學家和科學家泰勒斯(Thales約公元前624年-公元前546年)算起到古希臘最后一位女數學家希帕提婭(Hypatia)公元415年在亞歷山大城被殺，構成一個長800年左右的歷史[2],時間和空間概念在不同的時期，不同的科學家那里也有所不同。
古希臘對空間概念的主要觀點有兩種，一是認為存在虛空(一無所有的空間)，二是認為不存在虛空(空間只是物質的廣延性質而已)。原子論思想方法的起源是泰勒斯的物質起源一元論，泰勒斯認為“萬物源于水”,以后有了“萬物源于原子”的原子論學說，有原子一定有虛空，這樣關于空間的第一個明確的概念“原子運動的場所---虛空”就產生了。亞里士多德對于空間的觀點是：堅持認為“一無所有的空間不存在”,因為假如空間一無所有，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》一書中反復強調了他的觀點[3].
2、笛卡爾的空間和時間概念
近代哲學之父笛卡爾(Rene.Descartes公元1596-1650年)繼承了亞里士多德的“虛空不存在”的觀點，在他的著作中(如《方法論》《哲學原理》等)反復強調了空間只是物質的廣延性質，有物質才有空間，一無所有的空間不存在的觀點[4].笛卡爾還將這種觀點應用于對物理學和宇宙學的研究中。他提出了宇宙學模型，空間物質充滿了整個宇宙空間，不存在虛空，物質的密度可以因為運動變化而不同，每個恒星周圍都存在空間物質漩渦，正是這些物質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解釋更科學。并且他解釋行星運動動力的來源是物質之間的直接相互作用而不是牛頓的超距作用，這一點也顯示了比牛頓高明，法拉第和愛因斯坦的場論觀點繼承了笛卡爾的這種思想。笛卡爾還發明了笛卡爾坐標系，用于精確刻劃質點在空間中的位置，為現代科學奠定了基礎。
文藝復興時期，關于真空是否存在有過激烈的爭論，最后通過大氣壓實驗證明了真空存在，笛卡爾的虛空不存在的觀點被歷史拋棄了。但當時的人們并不知道真空和虛空不是同一個概念，真空是抽去空氣后留下的空間，但其中并非一無所有，笛卡爾的虛空是嚴格的一無所有空間，所以真空不是虛空，發現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就是真真空狀態。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[5]給出了獲得真真空的幾種可能方法。
笛卡爾研究動力學問題，特別是碰撞問題，動力學問題必然要涉及速度和加速度，時間的概念成為基本概念。但整個文藝復興時期到愛因斯坦為止，時間和空間是不相關的，人們頭腦中的時間概念就是機械周期運動中周期的滴答次數，無論是利用地球的自轉周期、公轉周期、月亮圓缺周期、還是單擺周期時間都是用機械周期計時。人們普遍認為所有真實存在的機械周期運動都存在誤差，但真實時鐘的誤差不是自然時間造成的，時鐘背后的自然時間是均勻流逝的，沒有誤差，這種思想發展到牛頓那里，就形成了絕對時間觀念。
3、牛頓的空間和時間概念
近代科學的起點通常以牛頓發表《自然哲學的數學原理》一書為標志。牛頓(Isaac.Newton公元1642-1727年)是文藝復興后科學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的最偉大科學家。時間和空間概念的現代觀念源于牛頓，牛頓在他的《原理》一書中，闡述了他的絕對時空觀[6].
牛頓絕對時空觀的要點是：(1)時間均勻流逝，即：時間流逝的快慢是永遠不變的，并與其他事物無關，特別是與空間無關;(2)時間是無始無終的，任何一個確定的時間點之前和之后一定還存在時間;(3)一只具體的時鐘的誤差，不是由時間本身產生的，而是由具體的計時方法和裝置產生的，沒有誤差的鐘稱為標準鐘;(4)所有標準鐘一經對準，無論在何時何地都是同步的，也就是同時性是絕對的。以上4點構成了絕對時間概念;(5)存在一無所有的虛空，它是物質運動的場所;(6)存在一個絕對靜止的.虛空，稱為絕對空間。相對絕對空間靜止或勻速運動的參照系是慣性參照系。以上兩點構成了絕對空間的概念。(7)時間和空間相互獨立，永不相關。時間和空間與物質無關，物質的存在和運動不會改變時間和空間，時序和空間位置僅是構成運動物質的運動次序。最后一點給出了絕對時空觀的時間和空間關系。
牛頓的時間、空間概念建立在直覺和形而上學的基礎上，在當時就存在質疑，著名的有萊布尼茲(Gottfried.Wilhelm.Leibniz公元1646-1716年)和貝克萊主教。萊布尼茲認為：絕對空間如果是虛空，其中一無所有，就不可能對人產生直接經驗，這種脫離感覺經驗的東西你又如何能證明它存在呢?
運動是從比較中得到的，絕對空間的靜止又是與什么比較得到的呢?牛頓的絕對空間和慣性系存在循環定義，一方面慣性系需相對絕對空間靜止或勻速運動確認，另一方面絕對空間又需用慣性系中靜止者確認。所以牛頓的絕對時空觀存在解釋困難，它武斷地假定空間中一無所有，時間均勻流逝，但給不出堅實的證據，所以牛頓力學的邏輯起點存在問題。后來的相對論研究表明，絕對時空觀只是相對時空觀在一定條件下的近似。
4、愛因斯坦的空間和時間概念
電磁學理論獲得了巨大的成功，但有一個問題存在：麥克斯韋方程預言的電磁波速度沒有指明具體的參照系，邁克爾遜-莫雷實驗也證明光速與參照系無關。這一結果和牛頓力學的速度疊加原理和伽利略變換相矛盾。電動力學中存在著絕對相對運動效應，如：磁鐵和線圈相對運動產生的電磁效應(線圈中的感生電流)與誰相對誰運動無關，而在牛頓力學中地球繞太陽轉和太陽繞地球轉是完全不同的，日心說和地心說的斗爭就是因為兩者不同而存在。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場(遙遠天體對本地物體的引力作用)，這種引力場使物體產生了慣性，馬赫原理總結了這種慣性的起源。電磁力和引力的不同，使應用機械類比方法解釋電磁現象，特別是電動力學現象失敗了。但人類具有追求統一的本能，在傳統方法試圖將電磁現象歸入機械力學圖像失敗后，愛因斯坦(Albert.Einstein公元1879-1955年)于1905年發表了《論動體的電動力學》反其道而行之，選擇讓牛頓力學服從電磁規律，不但承認光速不變，而且假設所有物質運動都是相對的(像磁鐵和線圈一樣)，運動疊加都要滿足光速不變原理，這樣導致了相對論的產生。如果物質運動需滿足光速不變和自然規律描述方程參照系協變，必然導出尺縮鐘慢效應(由洛倫茲變換導出)，時間和空間不再是一成不變的了，這樣就產生了愛因斯坦的相對時空觀[7].
愛因斯坦相對時空觀的要點是：(1)以不同速度做勻速運動的慣性系中的標準鐘的快慢不同(固有時不同);(2)在一個運動慣性系中同一地點對準過的標準鐘在不同地點不同步，也就是同時性不是絕對的;(3)時間是空間相關的，如果考慮空間中存在強引力，時間快慢不但可以不均勻，而且可以有始有終(黑洞奇點處時間停止);(4)這種相對論時鐘的快慢變化與具體時鐘的計時誤差無關，是物理時空本身造成的;(5)空間與物質和運動相關，運動空間和引力場空間會收縮，在黑洞的奇點處物質的廣延性收縮為零;(6)物質存在使空間彎曲，引力是空間的一種性質，一無所有的空間不存在[8-11].
5、愛因斯坦公理和物質空間概念
亞里士多德、笛卡爾、愛因斯坦都認為：一無所有的空間不存在。我們將它稱為愛因斯坦公理。廣義相對論得出引力是空間的一種性質，所以引力和空間不可分割，引力場具有能量密度，又根據質能關系，一定能量相當于一定質量，所以空間和物質不可分割，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”立刻可以得到一個新的概念：物質空間概念。因為存在的空間中都存在物質，所以物質和空間不可分離，為了將這樣的空間和虛空區別，稱這樣的空間為“物質空間”.任何物體都在一定的物質空間中存在和運動，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。
有了物質空間概念后就可以引出“物質空間層次結構模型”[12],設想在空氣中一個玻璃圍成的正方體，將其中的空氣抽掉，就得到真空。根據愛因斯坦公理，一無所有的空間不存在，所以真空中也存在物質，再將真空物質抽去，就得到真空的真空，即：真真空。
6、時間的操作定義
所有時間只能由物質的周期運動測量，沒有例外。首先假設無誤差的鐘為標準鐘，這樣可定義時間為：標準鐘記錄的數據就是時間。任何時鐘都必然存在于空間中，都必然會和物質空間發生相互作用，作用的強弱也必然會影響時鐘的快慢。通過時間的操作定義就找到了產生相對論效應的直接物理原因：物質和空間的相互作用。牛頓力學中空間為虛空，空間中一無所有，自然不會發生物質和空間相互作用，不會有相對論效應;相對論中空間是物質空間，所有物質都會發生和空間的相互作用，所以必然產生相對論效應[13].
物質空間中的時間和空間概念構成了物質空間時空觀。它的最大優點是統一了牛頓絕對時空觀和愛因斯坦相對時空觀。物質空間時空觀中的時間概念以時間的操作定義給出，空間概念以愛因斯坦公理為基礎用物質空間概念給出。當物質空間中的空間物質密度為有限值時物質空間時空觀即為愛因斯坦相對時空觀，當物質空間中的空間物質密度為無限小值時，物質空間時空觀為牛頓絕對時空觀。
7、愛因斯坦和波爾的爭論及EPR問題的解釋
馬赫原理認為物質的慣性是宇宙中遙遠物質對本地物體引力作用的總效應[14],假設虛空中一無所有，則虛空中引力場也沒有，根據馬赫原理物質在虛空中將沒有慣性，任何外力或擾動都將使粒子運動速度加速到無限快，所以在存在四周約束的虛空中，粒子的數學描述只能是幾率波。因為粒子運動無限快，我們無法判定一個粒子到底會出現在何處，這樣微觀粒子的圖像之所以像云，是因為它們運動得太快了。如果對粒子的環境約束是對稱均勻的，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，則幾率波將呈現非均勻分布，如果環境約束有周期規律，則幾率波將呈現量子化分布。這種圖像符合量子力學揭示的微觀圖像[15].
愛因斯坦和波爾曾經為量子力學的方法論爭論了50年，最后在他們離開人世間時問題也沒有解決[2].使用物質空間和物質空間層次概念可以對兩人的爭論給出一個相對合理的解釋。愛因斯坦明確提出引力場是空間的性質(空間的彎曲)，相對論以物質在存在引力的真空空間中的運動為前提討論問題。根據馬赫原理，虛空中的粒子因為沒有慣性可以超光速，而量子力學的粒子速度概率分布明顯地是以虛空為物質的運動背景空間(因為各種速度分布均存在，包括超光速的速度)，它沒有要求粒子運動不能超光速，正因為相對論和量子力學對空間的要求不同所以導致了兩種理論存在深刻的內在矛盾。
EPR問題中的量子糾纏態，可以在比真空更高層次的空間中進行，所以沒有光速限制，就像宇宙暴漲沒有光速限制一樣，因為宇宙暴漲不是在真空中進行的，而是在真空的真空中進行的。這樣就解釋了量子糾纏態為什么能超光速傳遞的難題，而相對論的假設前提是不允許出現這種情況的。所以愛因斯坦和波爾的觀點在他們各自的假設前提下都是正確的，但兩人說話要求的背景空間不同，真實的自然空間存在層次結構，正是因為現有理論忽略了這種層次結構，才導致了矛盾的產生。
總結
本文闡述了歷史上出現的關于時間和空間的主要觀念，對牛頓絕對時空觀和愛因斯坦相對時空觀給予了詳細的分析。針對時間和空間概念的認識中目前存在的問題，2010年提出的物質空間時空觀有效地解決了有關問題，并將相對論看成是物質空間力學在一定條件下的近似，為未來宏觀力學的發展提供了方向。
參考文獻：
[1]S.霍金.時間簡史[M].許明賢，吳忠超，譯.長沙：湖南科學技術出版社，2002.
[2]吳國盛.科學的歷程[M].2版.北京：北京大學出版社，2002.
[3]亞里士多德.物理學[M].徐開來，譯.北京：中國人民大學出版社，2003.
[4]笛卡爾.哲學原理[M].北京：商務印書館，1960.
[5]蔡永青，殷建，殷業.真空的存在性問題[J].吉林師范大學學報：自然科學版，2013,34(1):49-52.
[6]牛頓.自然哲學之數學原理[M].王克迪，譯.北京：北京大學出版社，2006.
[7]愛因斯坦.愛因斯坦文集[M].2卷.范岱年，譯.北京：商務印書館，1977.
【歷史上關于時間和空間的主要觀念】相關文章：