物理時空

❶ 解釋一下物理的時空學

狹義相對論(Special Relativity)是主要由愛因斯坦創立的時空理論，是對牛頓時空觀的改造。

伽利略變換與電磁學理論的不自洽

到19世紀末，以麥克斯韋方程組為核心的經典電磁理論的正確性已被大量實驗所證實，但麥克斯韋方程組在經典力學的伽利略變換下不具有協變性。而經典力學中的相對性原理則要求一切物理規律在伽利略變換下都具有協變性。

邁克爾孫尋找以太的實驗

為解決這一矛盾，物理學家提出了「以太假說」，即放棄相對性原理，認為麥克斯韋方程組只對一個絕對參考系（以太）成立。根據這一假說，由麥克斯韋方程組計算得到的真空光速是相對於絕對參考系（以太）的速度；在相對於「以太」運動的參考系中，光速具有不同的數值。

實驗的結果——零結果

但斐索實驗和邁克耳遜－莫雷實驗表明光速與參考系的運動無關。

洛侖茲坐標變換

洛侖茲變換是描述狹義相對論空間中各參考系間關系的變換。它最早由洛侖茲從以太說推出，用以解決經典力學與經典電磁學間的矛盾（即邁克爾孫-莫雷實驗的零結果）。後被愛因斯坦用於狹義相對論。

1632年，伽利略出版了他的名著《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》。書中那位地動派的「薩爾維阿蒂」對上述問題給了一個徹底的回答。他說：「把你和一些朋友關在一條大船甲板下的主艙里，讓你們帶著幾只蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲，艙內放一隻大水碗，其中有幾條魚。然後，掛上一個水瓶，讓水一滴一滴地滴到下面的一個寬口罐里。船魚向各個方向隨便游動，水滴滴進下面的罐口，你把任何東西扔給你的朋友時，只要距離相等，向這一方向不必比另一方向用更多的力。你雙腳齊跳，無論向哪個方向跳 過的距離都相等。當你仔細地觀察這些事情之後，再使船以任何速度前進，只要運動是勻速，也不忽左忽右地擺動，你將發現，所有上述現象絲毫沒有變化。你也無法從其中任何一個現象來確定，船是在運動還是停著不動。即使船運動得相當快，你跳向船尾也不會比跳向船頭來得遠。雖然你跳到空中時，腳下的船底板向著你跳的相反方向移動。你把不論什麼東西扔給你的同伴時，不論他是在船頭還是在船尾，只要你自己站在對面，你也並不需要用更多的力。水滴將象先前一樣，滴進下面的罐子，一滴也不會滴向船尾。雖然水滴在空中時，船已行駛了許多柞(為大指尖到小指尖伸開之長，通常為九英寸，是古代的一種長度單位)。魚在水中游向水碗前部所用的力並不比游向水碗後部來得大；它們一樣悠閑地游向放在水碗邊緣任何地方的食餌。最後，蝴蝶和蒼蠅繼續隨便地到處飛行，它們也決不會向船尾集中，並不因為它們可能長時間留在空中，脫離開了船的運動，為趕上船的運動而顯出累的樣子。」
薩爾維阿蒂的大船道出一條極為重要的真理，即：從船中發生的任何一種現象，你是無法判斷船究竟是在運動還是停著不動。現在稱這個論斷為伽利略相對性原理。
用現代的語言來說，薩爾維阿蒂的大船就是一種所謂慣性參考系。就是說，以不同的勻速運動著而又不忽左忽右擺動的船都是慣性參考系。在一個慣性系中能看到的種種現象，在另一個慣性參考系中必定也能無任何差別地看到。亦即，所有慣性參考系都是平權的、等價的。我們不可能判斷哪個慣性參考系是處於絕對靜止狀態，哪一個又是絕對運動的。
伽利略相對性原理不僅從根本上否定了地靜派對地動說的非難，而且也否定了絕對空間觀念（至少在慣性運動范圍內）。所以，在從經典力學到相對論的過渡中，許多經典力學的觀念都要加以改變，唯獨伽利略相對性原理卻不僅不需要加以任何修正，而且成了狹義相對論的兩條基本原理之一。

狹義相對論的兩條原理 1905年，愛因斯坦發表了狹義相對論的奠基性論文《論運動物體的電動力學》。關於狹義相對論的基本原理，他寫道： 「下面的考慮是以相對性原理和光速不變原理為依據的，這兩條原理我們規定如下：
1．物理體系的狀態據以變化的定律，同描述這些狀態變化時所參照的坐標系究竟是用兩個在互相勻速移動著的坐標系中的哪一個並無關系。
2．任何光線在「靜止的」坐標系中都是以確定的速度c運動著，不管這道光線是由靜止的還是運動的物體發射出來的。」
其中第一條就是相對性原理，第二條是光速不變性。整個狹義相對論就建築在這兩條基本原理上。
愛因斯坦的哲學觀念是,自然界應當是和諧而簡單的。的確，他的理論常有一種引人注目的特色：出於簡單而歸於深奧。狹義相對論就是具有這種特色的一個體系。狹義相對論的兩條基本原理似乎是並不難接受的「簡單事實」，然而它們的推論卻根本地改變了牛頓以來物理學的根基。
後面我們將開始這種推論。

愛因斯坦狹義相對論
相對論是20世紀物理學史上最重大的成就之一，它包括狹義相對論和廣義相對論兩個部分，狹義相對論變革了從牛頓以來形成的時空概念，提示了時間與空間的統一性和相對性，建立了新的時空觀。廣義相對論把相對原理推廣到非慣性參照系和彎曲空間，從而建立了新的引力理論。在相對論的建立過程中，愛因斯坦起了主要的作用。
愛因斯坦是美籍德國物理學家。1914年任德國威廉皇帝物理研究所所長和普魯士科學院院士，1933年因遭納粹政權迫害遷往美國，任普林斯頓高等研究院主任。1905睥，在他26歲時，法文科學雜志《物理年鑒》刊登了他的一篇論文《論運動物體的電動力學》，這篇論文是關於相對論的第一篇論文，它相當全面地論述了狹義相對論，解決了從19世紀中期開始，許多物理學家都未能解決的有關電動力學以及力學和電動力學結合的問題。
提起狹義相對論，很多人馬上就想到鍾錶慢走和尺子縮短現象。許多科學幻想作品用它作題材，描寫一個人坐火箭遨遊太空回來以後，發現自己還很年輕，而孫子已經變成了老頭。其實，鍾錶慢走和尺子縮短只是狹義相對論的幾個結論之一，它是指物體高速運動的時候，運動物體上的時鍾變慢了，尺子變短了。鍾錶慢走和尺子縮短現象就是時間和空間隨物質運動而變化的結果。狹義相對論還有一個質量隨運動速度而增加的結論。實驗中發現，高速運動的電子的質量比靜止的電子的質量大。
狹義相對論最重要的結論是使質量守恆失去了獨立性。它和能量守恆原理融合在一起，質量和能量可以互相轉化。如果物質質量是M，光速是C，它所含有的能量是E，那麼E=MC^2。這個公式只說明質量是M的物體所蘊藏的全部能量，並不等於都可以釋放出來，在核反應中消失的質量就按這個公式轉化成能量釋放出來。按這個公式，1克質量相當於9＊10 3焦耳的能量。這個質能轉化和守恆原理就是利用原子能的理論基礎。
在狹義相對論中，雖然出現了用牛頓力學觀點完全不能理解的結論：空間和時間隨物質運動而變化，質量隨運動而變化，質量和能量的相互轉化，但是狹義相對論並不是完全和牛頓力學割裂的，當運動速度遠低於光速的時候，狹義相對論的結論和牛頓力學就不會有什麼區別。
幾十年來的歷史發展證明，狹義相對論大大推動了科學進程，成為現代物理學的基本理論之一。
愛因斯坦於1922年12月有4日，在日本京都大學作的題為《我是怎樣創立相對論的？》的演講中，說明了他關於相對論想法的產生和發展過程。他說：「關於我是怎樣建立相對論概念這個問題，不太好講。我的思想曾受到那麼多神秘而復雜的事物的啟發，每種思想的影響，在生活幸福論概念的發展過程中的不同階段都不一樣……我第一次產生發展相對論的念頭是在17年前，我說不準這個想法來自何處，但是我肯定，它包含在運動物體光學性質問題中，光通過以大海洋傳播，地球在以太中運動，換句話說，即以太陽對地球運動。我試圖在物理文獻中尋找以太流動的明顯的實驗證據，藍天是沒有成功。隨後，我想親自證明以太相對地球的運動，或者說證明地球的運動。當我首次想到這個問題的時候，我不懷疑以太的存在或者地球通過以太的運動。」於是，他設想了一個使用兩個熱電偶進行的實驗：設置一些反光鏡，以使從單個光源發出的光在兩個不同的方向被反射，一束光平行於地球的運動方向且同向，另一束光逆向而行。如果想像在兩個反射光束間的能量差的話，就能用兩個熱電偶測出產生的熱量差。雖然這個實驗的想法與邁克爾遜實驗非常相似，但是他沒有得出結果。
愛因斯坦說：他最初考慮這個問題時，正是學生時代，當時他已經知道了邁克爾遜實驗的奇妙結果，他很快就得出結論：如果相信邁克爾遜的零結果，那麼關於地球相對以太運動的想法就是錯誤的。他說道：「這是引導我走向狹義相對論的第一條途徑。自那以後，我開始相信，雖然地球圍繞太陽轉動，但是，地球運動不可能通過任何光學實驗探測太陽轉動，但是，地球的運動不可能通過任何光學實驗探測出來。」
愛因斯坦有機會讀了洛倫茲在1895年發表的論文，他討論並完滿解決了u/c的高次項（u為運動物體的速度，c為光速）。然後愛因斯坦試圖假定洛倫茲電子方程在真空參照系中有效，也應該在運動物體的參照系中有效，去講座菲索實驗。在那時，愛因斯坦堅信，麥克斯韋－洛倫茲的電動力學方程是正確的。進而這些議程在運動物體參照系中有效的假設導致了光速不變的概念。然而這與經典力學中速度相加原理相違背。
為什麼這兩個概念互相矛盾。愛因斯坦為了解釋它，花了差不多一年的時間試圖去修改洛倫茲理論。一個偶然的機會。他在一個朋友的幫助下解決了這一問題。愛因斯坦去問他並交談討論了這個困難問題的各個方面，突然愛因斯坦找到了解決所有的困難的辦法。他說：「我在五周時間里完成了狹義相對論原理。」
愛因斯坦的理論否定了以太概念，肯定了電磁場是一種獨立的、物質存在的特殊形式，並對空間、時間的概念進行了深刻的分析，從而建立了新的時空關系。他1905年的論文被世界公認為第一篇關於相對論的論文，他則是第一位真正的相對論物理學家。

狹義相對論效應
根據狹義相對性原理，慣性系是完全等價的，因此，在同一個慣性系中，存在統一的時間，稱為同時性，而相對論證明，在不同的慣性系中，卻沒有統一的同時性，也就是兩個事件(時空點)在一個慣性系內同時，在另一個慣性系內就可能不同時，這就是同時的相對性，在慣性系中，同一物理過程的時間進程是完全相同的，如果用同一物理過程來度量時間，就可在整個慣性系中得到統一的時間。在今後的廣義相對論中可以知道，非慣性系中，時空是不均勻的，也就是說，在同一非慣性系中，沒有統一的時間，因此不能建立統一的同時性。
相對論導出了不同慣性系之間時間進度的關系，發現運動的慣性系時間進度慢，這就是所謂的鍾慢效應。可以通俗的理解為，運動的鍾比靜止的鍾走得慢，而且，運動速度越快，鍾走的越慢，接近光速時，鍾就幾乎停止了。
尺子的長度就是在一慣性系中"同時"得到的兩個端點的坐標值的差。由於"同時"的相對性，不同慣性系中測量的長度也不同。相對論證明，在尺子長度方向上運動的尺子比靜止的尺子短，這就是所謂的尺縮效應，當速度接近光速時，尺子縮成一個點。
由以上陳述可知，鍾慢和尺縮的原理就是時間進度有相對性。也就是說，時間進度與參考系有關。這就從根本上否定了牛頓的絕對時空觀，相對論認為，絕對時間是不存在的，然而時間仍是個客觀量。比如在下期將討論的雙生子理想實驗中，哥哥乘飛船回來後是15歲，弟弟可能已經是45歲了，說明時間是相對的，但哥哥的確是活了15年，弟弟也的確認為自己活了45年，這是與參考系無關的，時間又是"絕對的"。這說明，不論物體運動狀態如何，它本身所經歷的時間是一個客觀量，是絕對的，這稱為固有時。也就是說，無論你以什麼形式運動，你都認為你喝咖啡的速度很正常，你的生活規律都沒有被打亂，但別人可能看到你喝咖啡用了100年，而從放下杯子到壽終正寢只用了一秒鍾。

時鍾佯謬或雙生子佯謬
相對論誕生後，曾經有一個令人極感興趣的疑難問題---雙生子佯謬。一對雙生子A和B，A在地球上，B乘火箭去做星際旅行，經過漫長歲月返回地球。愛因斯坦由相對論斷言，二人經歷的時間不同，重逢時B將比A年輕。許多人有疑問，認為A看B在運動，B看A也在運動，為什麼不能是A比B年輕呢?由於地球可近似為慣性系，B要經歷加速與減速過程，是變加速運動參考系，真正討論起來非常復雜，因此這個愛因斯坦早已討論清楚的問題被許多人誤認為相對論是自相矛盾的理論。如果用時空圖和世界線的概念討論此問題就簡便多了，只是要用到許多數學知識和公式。在此只是用語言來描述一種最簡單的情形。不過只用語言無法更詳細說明細節，有興趣的請參考一些相對論書籍。我們的結論是，無論在那個參考系中，B都比A年輕。
為使問題簡化，只討論這種情形，火箭經過極短時間加速到亞光速，飛行一段時間後，用極短時間掉頭，又飛行一段時間，用極短時間減速與地球相遇。這樣處理的目的是略去加速和減速造成的影響。在地球參考系中很好討論，火箭始終是動鍾，重逢時B比A年輕。在火箭參考系內，地球在勻速過程中是動鍾，時間進程比火箭內慢，但最關鍵的地方是火箭掉頭的過程。在掉頭過程中，地球由火箭後方很遠的地方經過極短的時間劃過半個圓周，到達火箭的前方很遠的地方。這是一個"超光速"過程。只是這種超光速與相對論並不矛盾，這種"超光速"並不能傳遞任何信息，不是真正意義上的超光速。如果沒有這個掉頭過程，火箭與地球就不能相遇，由於不同的參考系沒有統一的時間，因此無法比較他們的年齡，只有在他們相遇時才可以比較。火箭掉頭後，B不能直接接受A的信息，因為信息傳遞需要時間。B看到的實際過程是在掉頭過程中，地球的時間進度猛地加快了。在B看來，A現實比B年輕，接著在掉頭時迅速衰老，返航時，A又比自己衰老的慢了。重逢時，自己仍比A年輕。也就是說，相對論不存在邏輯上的矛盾。

相對論要求物理定律要在坐標變換(洛倫茲變化)下保持不變。經典電磁理論可以不加修改而納入相對論框架，而牛頓力學只在伽利略變換中形勢不變，在洛倫茲變換下原本簡潔的形式變得極為復雜。因此經典力學與要進行修改，修改後的力學體系在洛倫茲變換下形勢不變，稱為相對論力學。
狹義相對論建立以後，對物理學起到了巨大的推動作用。並且深入到量子力學的范圍，成為研究高速粒子不可缺少的理論，而且取得了豐碩的成果。然而在成功的背後，卻有兩個遺留下的原則性問題沒有解決。第一個是慣性系所引起的困難。拋棄了絕對時空後，慣性系成了無法定義的概念。我們可以說慣性系是慣性定律在其中成立的參考系。慣性定律的實質是一個不受外力的物體保持靜止或勻速直線運動的狀態。然而"不受外力"是什麼意思?只能說，不受外力是指一個物體能在慣性系中靜止或勻速直線運動。這樣，慣性系的定義就陷入了邏輯循環，這樣的定義是無用的。我們總能找到非常近似的慣性系，但宇宙中卻不存在真正的慣性系，整個理論如同建築在沙灘上一般。第二個是萬有引力引起的困難。萬有引力定律與絕對時空緊密相連，必須修正，但將其修改為洛倫茲變換下形勢不變的任何企圖都失敗了，萬有引力無法納入狹義相對論的框架。當時物理界只發現了萬有引力和電磁力兩種力，其中一種就冒出來搗亂，情況當然不會令人滿意。
愛因斯坦只用了幾個星期就建立起了狹義相對論，然而為解決這兩個困難，建立起廣義相對論卻用了整整十年時間。為解決第一個問題，愛因斯坦乾脆取消了慣性系在理論中的特殊地位，把相對性原理推廣到非慣性系。因此第一個問題轉化為非慣性系的時空結構問題。在非慣性系中遇到的第一隻攔路虎就是慣性力。在深入研究了慣性力後，提出了著名的等性原理，發現參考系問題有可能和引力問題一並解決。幾經曲折，愛因斯坦終於建立了完整的廣義相對論。廣義相對論讓所有物理學家大吃一驚，引力遠比想像中的復雜的多。至今為止愛因斯坦的場方程也只得到了為數不多的幾個確定解。它那優美的數學形式至今令物理學家們嘆為觀止。就在廣義相對論取得巨大成就的同時，由哥本哈根學派創立並發展的量子力學也取得了重大突破。然而物理學家們很快發現，兩大理論並不相容，至少有一個需要修改。於是引發了那場著名的論戰：愛因斯坦VS哥本哈根學派。直到現在爭論還沒有停止，只是越來越多的物理學家更傾向量子理論。愛因斯坦為解決這一問題耗費了後半生三十年光陰卻一無所獲。不過他的工作為物理學家們指明了方向：建立包含四種作用力的超統一理論。目前學術界公認的最有希望的候選者是超弦理論與超膜理論。

洛侖茲坐標變換：
X=γ(x-ut)
Y=y
Z=z
T=γ(t-ux/c^2)
(註：γ=1/sqr(1-u^2/c^2),β=u/c,u為慣性系速度。)

相對論力學
(一)速度變換：
V(x)=(v(x)-u)/(1-v(x)u/c^2)
V(y)=v(y)/(γ(1-v(x)u/c^2))
V(z)=v(z)/(γ(1-v(x)u/c^2))
(二)尺縮效應：△L=△l/γ或dL=dl/γ
(三)鍾慢效應：△t=γ△τ或dt=dτ/γ
(四)光的多普勒效應：ν(a)=sqr((1-β)/(1+β))ν(b)
(光源與探測器在一條直線上運動。)
(五)動量表達式：P=Mv=γmv,即M=γm.
(六)相對論力學基本方程：F=dP/dt
(七)質能方程：E=Mc^2
(八)能量動量關系：E^2=(E0)^2+P^2c^2

❷ 物理學上怎樣穿越時空

穿越時空，理論上是可以的，但是宇宙中最快的速度是光速。根據愛因斯坦的時空觀，運動快速的物體時間會變慢。當人的速度達到光速，根據愛因斯坦的質量公式，速度越接近光速，則那人的質量無限大。在參考系中靜止的物體質量為M0，以速度v運動的物體質量為M1，那麼 M1=MO/[1-(v/c)^2],(c為光速下同)。實際上很難辦到。

❸ 絕對時空觀和相對時空觀的物理含義分別是什麼

絕對時空觀是哲學家和藝術家的事情。
相對時空觀是物理學家的事情。

❹ 物理學中的時空概念

時、空都是絕對概念，是存在的基本屬性。但其測量數值卻是相對於參照系而言的。
「時間」是抽象概念，表達事物的生滅排列。其內涵是無盡永前，其外延是一切事件過程長短和發生順序的度量。「無盡」指時間沒有起始和終結，「永前」指時間的增量總是正數。
「空間」是抽象概念，表達事物的生滅范圍。其內涵是無界永在，其外延是一切物件佔位大少和相對位置的度量。「無界」指空間里任一點都居中，「永在」指空間永現於當前時刻。
因為在狹義相對論中，光速是測量時、空的共同尺子，時、空的變化在此共尺上表現依存規律，即遵從洛倫茲變換。所以，時、空的測量數值是相對於具體慣性系的，如同時性在測量上不是絕對的，相對於某一參照系為同時發生的兩個事件，相對於另一參照系可能並不同時發生；長度和時段在測量上也不是絕對的，運動的尺相對於靜止的尺變短，運動的鍾相對於靜止的鍾變慢。光速在狹義相對論中是絕對量，對於任何慣性參照系光速都是常量c。

❺ 時空是物理的范疇嗎

屬於物理 宇宙學 、天體物理學
屬於數學 時空幾何學

❻ 時空物理的介紹

時空物理，又被稱作現代物理、理論物理、時空宇宙學。時空物理研究的方向是時間與空間的關系。時空物理由阿爾伯特·愛因斯坦奠基，相對論是時空物理的理論依據，當量子力學成功後，其在時空物理的地位就超過了相對論，人們開始逐漸用量子力學處理時空，但時空物理不僅涉及到物理，還涉及到如邏輯學，倫理學等諸多理論。

❼ 物理中絕對時空觀定義是什麼

絕對時空觀認為時間和空間是兩個獨立的觀念，彼此之間沒有聯系，分別具有絕對性。絕對時空觀認為時間與空間的度量與慣性參照系的運動狀態無關，同一物體在不同慣性參照系中觀察到的運動學量（如坐標、速度）可通過伽利略變換而互相聯系。這就是力學相對性原理：一切力學規律在伽利略變換下是不變的。
相關介紹：
經典時空觀首先由牛頓明確提出，牛頓在他的名著《自然哲學的數學原理》一書中，對絕對時間和絕對空間作了明確的表述（見本章「題記」），因此又叫做牛頓時空觀，所謂絕對，是指時間和空間與觀測者的運動狀態無關，實際上，絕對時空觀是人們在低速狀態下的經驗總結，例如我國唐代大詩人李白的著名詩句：「夫天地者，萬物之逆旅；光陰者，百代之過客」，就是對絕對空間和絕對時間的形象比喻

❽ 物理時空中的獨立客體實體是什麼意思

時空概念在物理學中的地位和作用
物理學隨著人們對時空與物理客體之間關系的認識之進化而進化，從而時空概念本身及其在物理學中的地位和作用，也在發生著相應的變化。
盡管物理學家在面對一個共同的客觀世界時，可以持有不同的時空觀，然而在一定的歷史條件下，物理學必須並且只能以一個一致的時空概念作為其研究的基礎和出發點。物理學的時空概念不可與哲學上的時空觀相等同，因為前者以科學論證為特徵，而後者以抽象思辨為特徵。但是，它們以不同的方式都影響著物理學家的研究，為破除舊的概念、形成新的概念提供著方法論武器。而當一種物理時空概念形成，進而發展成為科學理論體系，並以其科學的特質影響著不同的哲學學派對時空概念的解讀時，物理學的時空觀便成為哲學時空觀的科學基礎。哲學史上的時空觀就是在與物理學時空概念的抽象化、理想化要求之間的相互作用和相互啟發中，產生和演變的。
近代科學以一種時空和物質相分離的觀念作為出發點並在此基礎上發展起來，這是伽利略、笛卡爾、牛頓等人對傳統自然哲學時空觀進行批判和揚棄的結果，由此形成了科學化的時空概念。這種時空概念一開始是一種數學化、具有公理性的規定，後來逐漸為哲學家所理解和接受。它將因果性不僅確立為自然的基本原理，而且確立為哲學在理解自然時的基本觀念。這種觀念為構成近代科學的哲學基礎起到了背景的作用。在物理學上，堅信自然的物理規律是統一的信念和對物質本原的深入研究，推動著物理學時空概念的發展；時空概念的變革成為物理學發展過程中解決理論矛盾的出路。
時空概念的進化最終導致時空自身作為一種特殊的對象而成為物理學的研究目標。時空的內稟性質需要發掘，時空成為物質和物理作用性質的起因；時空從超自然回歸自然，時空概念從先驗的公理概念轉變為實在性概念：時空是實在的本性和表現之一——這些變化觸動了以牛頓力學觀念為科學基礎的哲學體系，促成了哲學上的大變革：一種發展的、變化的、整體的且具有豐富相互作用關系的時空圖景進入到不同哲學派別的時空觀念中，形成了爾後科學與哲學之間種種相互作用的新起點。
一、科學化時空概念的建立和演變
第一個科學意義上的時空概念是被稱為「絕對時空」的牛頓力學中的時空概念。牛頓說：「絕對的、真實的和數學的時間，由其特性決定，自身均勻地流逝，與一切外在事物無關」；「絕對空間：其自身特性與一切外在事物無關，處處均勻，永不移動。」(牛頓，第6頁)這里的時間是作為一種一維空間化的東西來看待的，因此牛頓範式下的時空問題實際上是一種廣義的空間問題，形成的是承擔「因果」的「序」(物理客體間的「形」的變化)的一維空間和作為「量」(物理客體的「形」的分布)的三維空間的一個總合的空間概念。這個空間概念被定義為與物理作用無關，其時空下兩點間的作用是「瞬間」的、超距的，因為這個時空是由兩個互不關聯的空間形式並行存在的。這個時空的主要特徵和作用是作為運動的背景和運動量的度量的背景，並可按照歐氏幾何將其幾何化。
除了作為背景之外，這種空間沒有其他作用。因此愛因斯坦在總結牛頓意義下的空間概念(即時空概念)時說道：「空間不僅作為一個同物質客體無關的獨立的東西而引進來，而且還指定它在整個理論的因果結構中擔任一個絕對的角色。這個角色從這樣的意義上說來是絕對的空間(作為一個慣性系)作用於一切物質客體，可是這些物質客體卻不反過來給空間以任何反作用。」(《愛因斯坦文集》第1卷，第589頁)對於這種傳統意義上的空間概念，愛因斯坦還寫道：「空間的這兩種概念可以像下面這樣對比起來：(a)空間作為物質客體世界的位置性質；(b)空間作為一切物質客體的容器。在情況(a)，要是沒有物質客體，空間是不可思議的。在情況(b)，物質客體只能被想像為存在於空間裡面的；因此空間好像是這樣一種實在，它在某種意義上是超越於物質世界的。」(同上，第588頁)這種時空概念在一定意義上超越了物質世界，使得問題的處理大大簡化。
經典物理理論中作為一切物理現象背景的時空概念的建立，對物理學擺脫自然哲學的純思辨、走向科學化的分析起了決定性的作用，也系統地闡發了機械唯物主義的時空觀；其最重要的貢獻就是用科學的體系確立了因果性在科學和哲學上的重要地位。
然而，19世紀末物理學的黑體輻射和以太問題，導致了對這種「絕對時空」觀的合理性的懷疑，由此引起了空間概念的變化及其在物理理論中的角色的改變。相對論統一了時間和空間的地位和作用，消除了各自的獨立性，使時空成為一個關聯的整體。相對論的產生引發了對時空問題的哲學思辨的新熱潮。這時，直觀、經驗、綜合的局限性被人們再次認識到，新理論下的時空概念變得相當技術化。科學史家傑拉耳德·霍耳頓認為：「相對論不但對於物理學本身，而且對於現代科學的哲學也是一種關鍵性的進展。」(見許良英編，第17頁)這樣一種新時空概念及其所形成的對自然的新時空觀，並不容易被理解和接受。同時，這種時空概念與哲學上傳統的時空觀表現出有限性和無限性、直觀性和非直觀性上的沖突，有限與無限、有界與無界的辯證關系再次進入人們的思考中，這進一步增加了對其理解的難度。所以，無論是在物理學上還是哲學上，接受相對論的時空概念都不是一件輕而易舉的事情。
新的時空概念必然改變時空在理論中的地位和作用。普遍的背景作用被消除後，時空就像一切物理客體一樣與其他物理客體之間存在相互作用：時空的特性依賴於其他物理客體，同時通過對其他物理客體的作用表現出自身的特性。引力可以用空間幾何特徵的空間彎曲得到解釋和理解；物質間的作用以及物質的產生與我們所處時空的基本特性有關，即我們為什麼具有這樣的物質結構，是與時空的本性相關的，而我們的時空為什麼是這樣的，也是由物質世界的結構所決定的。這樣一來，經典理論中那些特設性的形而上學的概念就被剔除了，時空的本質與物理客體的作用關聯了起來，從而為將時空自身作為需要研究的物理實在提供了條件。時空的地位不再完全凌駕於一切物理對象和作用之上，而是同它們相互融合。物理學的時空概念變成了哲學時空觀在物理學中的狹義表現。
物質結構和微觀領域的研究從另一個角度再次沖擊了傳統的時空觀。量子的概念使得物理對象的全域性成為普遍的。物理客體的描述不存在嚴格意義上的邊界，而客體的邊界的消失使得物理客體與其背景的「空間」在嚴格意義上也不再可以區分。量子同場的概念相結合，物質和空間不再彼此獨立，所以愛因斯坦說：「沒有場的空間是不存在的。」時空和場是一個互相制約、互相依存的整體，是一個東西的兩種不同的表述，理解物理時空就是理解「場」。
當代物理學中的時空概念從某種意義上反映了經驗和理性之間的辯證關系，說明僅從經驗出發是不夠的，還需要排除直觀經驗的干擾，用理性的力量去把握現象之後的東西。
總之，時空的概念經歷了一個從形而上的背景到實在的本體的變化過程。從牛頓的「與一切外在事物無關的絕對空間和時間」，到愛因斯坦的以「場」的形式存在的空間，時空概念在物理學中發生了巨大的變化或者說進化。理解時空概念在不同階段的產生過程和內涵，可以幫助我們理解這一演變的必然性。
二、作為物理背景的時空
古希臘人認為，人類有三種重要的空間經驗：處所經驗、虛空經驗和廣延經驗。前科學時期，亞里士多德提出了「處所」的空間范疇，同時歐幾里得建立了以幾何圖形為對象的幾何體系。但「處所」並未與幾何相結合，一些學者研究認為，三維的歐氏空間在歐幾里得的心目中並不存在。(參見吳國盛)「處所」是亞氏以後的主要空間范疇。亞氏的「處所」是非背景化的、局域化的，並被其目的論的運動理論賦予了絕對的不均勻性，所以「處所」不可以作為所有物體定位的背景空間，也無法幾何化。「處所」范疇不能形成近代的空間概念，從而也未能使亞氏的物理學成為一種科學體系。
牛頓的近代空間概念具有兩個重要的特徵：背景特徵和幾何化特徵。背景特徵在物理學中的作用是最為關鍵的。在紛雜的世界中將歐氏幾何的數學特徵賦予空間、將空間作為「背景」，這是一個大膽而且方便的抽象。要使空間成為背景，空間就必須成為一個與物理客體對立的、在任何運動下都不會改變的存在，並且它在被賦予幾何性質前必須是均質的。牛頓的絕對時空概念的提出正是這一要求的反映。這既符合當時人類的經驗，也吸收了自然哲學的成就。這種近代的空間觀念在物理學及其發展中扮演了十分重要的角色，它使數學化的技術手段得以實現。因此，它成為這一時期物理學的前提基礎，是物理學科學革命的起點，從此物理學走向了嚴密自然科學發展的道路。
按照這種時空觀，不僅要將物理客體同時空相分離，也要把人從時空中分離出來，使人的認識對於時空是統一的，要排除無處不在的觀察者的影響。因此，牛頓賦予作為理論基礎的空間一個絕對的性質：以絕對時空為背景的慣性參考系，通過滿足伽利略的相對性原理而保持其物理上的和諧與統一性。之後，笛卡爾的坐標系又將牛頓的絕對時空的數學化精緻地表現出來。不論這種嚴格意義上的慣性系在經驗上是否存在，它在理論的建立中都起到了關鍵的前提作用。
牛頓未能對這一前提在經驗上的可靠性給出合理的說明，這成為以後馬赫等人對其時空觀進行批判和突破的關鍵點。在一定意義上，這種空間和時間是形而上學的公設概念。從「思維經濟」的角度看，這種時空定義就當時的認識程度而言是適當的，在以後的實踐中也得到了證明。因此，弗洛里安·卡約里在其「關於《原理》的歷史與解釋性注釋」中認為，絕對的時間和絕對的直線運動雖然「並沒有以實驗證據為基礎，因而可以說成是形而上學的」，但是「牛頓的假設滿足了二百多年前科學發展所需的檢驗」。(見牛頓，第647頁)牛頓雖然沒有在馬赫之前提出「思維經濟」的思想，然而他的成功對於在科學發展中將「思維經濟」作為一種對理論之優越性進行評判的標准，起到了支持作用。
時空作為背景的不變性，使得物理學家可以排除客觀世界中紛雜的各種聯系，抓住物理世界的主要矛盾，同時這種幾何特徵和背景特徵也可拓展至更具廣泛意義的理論中。由拉格朗日(1736—1813)、泊松(1781—1840)、哈密頓(1805—1865)等人建立發展起來的分析力學體系，使得力學原理即使用很不同的方式來描述，也能得出相同的結論。將與經驗直覺相聯系的基本概念——位移、速度、加速度、質量、力等抽象成為理論概念，並理想化地給予嚴格定義，這些都是建立在具有獨立背景的時空基礎上的。廣義坐標和拉格朗日方法、哈密頓的正則方程在更抽象的層面上使用了牛頓的這一背景性質的時空，使力學的語言可以描繪更多的物理現象，如光學、聲學和電學現象。這些拓展為當代物理學突破作為絕對背景的時空觀，提供了可以應用的物理學思想和方法。
另一方面，背景空間的獨立性使得幾何空間可以單獨由數學研究。歐幾里得時期的幾何並不研究實際的物理空間，因為每個人通過直覺獲得的空間經驗有著許多差異，心理空間或者個人空間是非各向同性的，其連續性和維數也是非常不確定的。只有過渡到同物理剛性相聯系的、脫離個人經驗直覺及各種感官知覺形態集合的抽象，才能形成與幾何相聯系的物理空間。同時，在背景空間的獨立性下，人們注意到，抽象的空間圖形並不與構成它的物體的特殊本性相關：它是獨立的，可以脫離開物理性質而加以研究。絕對時空概念的合理性正是通過它對理論發展的功用來獲得證明的。物理學又刺激了抽象的幾何學的研究：N維空間的概念在18世紀由於分析力學的發展而有所前進，並推動N維幾何學脫離物理學獨自向前發展，從而為物理學今後的發展再次准備好數學的武器。
力學體系的成功激發了哲學上機械決定論的誕生，但是由於它是建立在牛頓的時空概念之上的，因而隨著這一概念自身問題的凸顯，機械決定論也就必然地走向了破產。19世紀末物理學中的黑體輻射和以太問題引發了對時空概念本身的思考，於是時空的角色再次發生變化，時空自身成為物理學研究的對象，時空幾何的唯一性受到了懷疑。
三、具有物理作用的時空
相對論的提出使物理學家認識到背景化的時空概念對時空的描述是不完全的：時空除了作為背景外，還具有物理作用。愛因斯坦對時空的物理作用的揭示，是通過消除傳統意義上的時間、空間概念的獨立性(狹義相對論)和實現幾何化綱領(廣義相對論)達到的。
「同時性」概念的深入分析是消除傳統意義上的時間、空間概念的獨立性的突破點。空間測量的「同時性」是有物理條件的。愛因斯坦證明，無法從無數個(處於相對運動中的不同參考系裡的)等價的「地方時」中識別出絕對時間；只有相對於確定的參考系來說，時間數據才有意義，因此絕對時間單獨不具有物理實在性，時間與空間的關系是相對化的。也因此，不存在超距作用，在三維空間上，物理的幾何與數學的幾何是不同的。閔可夫斯基認為相對論運動學的本質在於空間和時間的不可分割性；真實的世界是一個四維流形，它的元素是世界點：「從今以後，空間和時間應該退化為僅僅是個影子，而只有空間和時間二者的某種結合才保持著獨立的存在。」(見玻恩，第340頁)
值得一提的是在理解狹義相對論時，哲學家中流行的觀點往往只注意到狹義相對論對傳統時空形式的革命，但物理學家如H. 馬根腦、R. B. 林賽、A. 格呂鮑姆等人，卻認為相對論並不像人們通常所認為的那樣拋棄了絕對空間的概念，甚至連愛因斯坦本人也沒有明確地表示對絕對空間的否定。實際上，三維空間和一維時間的獨立的絕對背景性質被提升到了閔可夫斯基的四維空間中，閔氏時空是一種高維的牛頓時空。在這種意義上，狹義相對論並沒有與牛頓的絕對空間斷絕關系，因為四維背景時空與物理體系仍舊各自獨立，不相互作用。但這一變化的革命性仍是顯而易見的：它使人們的認識回歸到宇宙是一個整體的概念上來，而不再主張獨立的空間和時間，並且突出了時空在三維上的物理作用。狹義相對論的時空使得牛頓時空所掩蓋的時空的物理作用得到揭示：正是在這種時空的特性下，電磁現象同力學現象一樣可以滿足相對性原理；能量和慣性質量是統一的，E=mC[2]；任何參考系下都存在一個速度的上限，即真空中的光速C，真實的物理過程不是超距的，等等。當然，這也使得物理學中的時間更加不同於哲學中的「時間」范疇，因為物理學的時間不再具有優於空間的特性。
狹義相對論在物理理論中第一次揭示了空間的物理作用；並且這個作用是實在的，而不是如「慣性力」那樣的特設的虛的東西。
廣義相對論體系進一步揭示了時空有其物理作用的特性：度規。物質的存在影響著時空的度規，時空的度規則決定著物質的運動形式。所謂「度規」就是空間幾何性質的一種度量。度規系數反映了整個空間的幾何測量的性質。使用度規體現了愛因斯坦揭示空間的基本相互作用的幾何化綱領。為達到此目的，就必須破除歐氏幾何以先驗地位對真實空間所作的描述，對此，愛因斯坦認為必須採取幾何學(G)+物理定律(P)的結構。
彭加勒認為感覺並不能成為我們選擇真實空間幾何的基礎：「在這一選擇中，經驗引導我們，而沒有把它強加於我們；經驗沒有告訴我們哪一個是最真實的幾何學，而是告訴我們哪一個是最方便的幾何學。」(彭加勒，第59頁)因此，幾何學並不是經驗的，至少嚴格意義上不是經驗的。(同上，第55頁)純粹數學意義上的幾何研究被我們所定義的數學概念之間的關系，而與實在空間無關。
幾何學的限制被解除了，(G)+(P)模型解開了歐氏幾何同物理實在間原始的、直接的關系：「幾何(G)並不斷言實在事物的性狀，而只有幾何加上全部物理定律(P)才能做到這點。用符號來表示，我們可以說：只有(G)+(P)的和才能得到實驗的驗證。因此，(G)可以任意選取，(P)的某些部分也可以任意選取；所有這些定律都是約定。為了避免矛盾，必須注意的只是怎樣來選取(P)的其餘部分，使得(G)和全部的(P)合起來能夠同經驗相符合。從這個角度來考慮，公理學的幾何同已獲得公認地位的那部分的自然規律，在認識論上看來是等效的。」(《愛因斯坦文集》第1卷，第139頁)
(G)+(P)問題對於時空問題是一個很重要的論題，同時它在哲學上也產生了巨大的影響。彭加勒和其他許多人對這一問題的討論，導致了哲學上對康德的「先驗綜合」觀念的懷疑和再思考，並產生了「相對主義」和「約定論」這樣的哲學思潮。將(P)賦予時空是新時空概念的重大進步，它使得時空在物理理論中不再僅僅作為背景，而是與時空中的物理系統合成一個相互作用的整體：時空的作用決定了我們世界的物理定律的形式，而我們世界的物理定律的形式則表明我們具有什麼樣的時空。新的時空概念揭示了牛頓時空概念掩蓋的現象，並解釋了其不能合理解釋的現象。
物理學對幾何與物理時空關系認識的深化，引發了有關何種幾何是我們的空間幾何的思考。這種思考成為當代科學哲學的一個熱點，同時也成為科學哲學對康德「先驗綜合」的突破口。對此，賴欣巴哈、卡爾納普和內格爾等人都作了深入的討論。這是當代物理學研究成果為哲學家提供科學思想武器的一個突出事例。不變的時空觀和單一的時空觀並不為自然科學的結論所證明，相反，人類認識的深入已經表明時空觀是在變化的，並且因角度和條件的不同可以並存多種時空觀。
隨著物理學所涉范圍在宏觀、微觀上的深入，將時空作為獨特的物理對象來研究成為必然。
四、作為物理對象的時空
當代物理學中時空概念的變化導致其地位發生了根本改變：時空依舊是所有理論的基礎，但它已不是那個簡單的、靜態的、背景的基礎概念，而是與整個物理基礎理論的各個分支構成一種互動式的制約關系——這決定了時空是物理學最重要的研究對象。
五、結語
時空概念的發展和豐富及其在物理學中的地位和作用的變化，體現了人類認識過程中理性和經驗、人與物理對象之間的相互作用。
首先，像時空概念這樣重要的理論元素，如果不能正確認識它的相對性，而將其地位絕對化，僅在理論內部為「拯救」現象做特設性的調整，那將會阻礙理論的發展。從人類經驗綜合和抽象而來的概念，不應該是靜止的、絕對化的，而應隨著人類認識和實踐的發展而發展。在這里，哲學的作用不可小視。時空概念的變化表明，「科學進步」決定了概念變化的方向。也就是說，我們要認識到概念變化的必然性及其變化的方向性。
其次，概念都是人的抽象思維的產物。在抽象過程中，我們不得不在一定的認識條件下對經驗現象作取捨和理想化；而在認識發展到更高階段，處理更深層次和更廣泛的現象和問題時，這些取捨和理想化就變得不再那麼合理。可是，發現這種不合理卻不是一件容易的事。愛因斯坦在為M. 雅默 (Max Jammer)的《空間概念——物理學中空間理論的歷史》作序時曾寫到：「在企圖把龐雜的觀察數據作出系統的概念表述時，科學家用上了整個概念武庫，這些概念實際上是同他的母親的奶一道吮吸來的；他很難覺察到他的這些概念中始終有問題的特徵。」(《愛因斯坦文集》第1卷，第586頁)時空概念的變化對於物理學來說似乎是一個順理成章的事，但對於人類認識的發展來說卻是異乎尋常的。因此愛因斯坦認為：「為了科學，必須反反復復地批判這些基本概念，以免我們會不自覺地受它們支配。在傳統的基本概念的貫徹使用碰到難以解決的矛盾而引起了觀念發展的那些情況，這就變得特別明顯。」(同上)也就是說，我們要認識到基本概念變化的可能性。
再次，雖然科學來源於哲學，但由於技術手段的差別和理論要求的不同，對同樣問題的研究科學和哲學會有不同的進路，發展的程度也不相同。所以，不應將哲學的時空觀與科學對時空的研究所形成的時空概念簡單地等同，同時也要注意兩者的聯系，這樣才能既合理地利用科學取得的成果，又不僵化思想。也就是說，我們要認識到基本概念演化在科學上的特殊性。
本文所描述的時空概念在內容、形式和地位上的變化，表明物理學是一個開放的事業，其對世界圖景描述的任何基本概念都是可以批判的、可以改變的，而且任何改變都離不開哲學和科學的合作。
【參考文獻】
[1]《愛因斯坦文集》，1983年，許良英等編譯，商務印書館。
[2]玻恩，1981年：《愛因斯坦的相對論》，河北人民出版社。
[3]牛頓，1996年：《自然哲學之數學原理宇宙體系》，武漢出版社。
[4]彭加勒，1988年：《科學的價值》，光明日報出版社。
[5]吳國盛，1994年：《希臘空間概念的發展》，四川教育出版社。
[6]許良英編，1990年：《科學思想史論集》，河北教育出版社。

❾ 研究物理時空學的有哪些機構或者學者或者是大學都行

時空問題一般屬於物理系中天體物理、天文方向，涉及廣義相對論，時空扭曲等問題，當前屬於尖端冷門領域，需非常扎實的數理基礎，一般高校是不開設的，也沒有能力開設。本科階段一般是學理論物理方向，研究生才確定研究天體物理。
國內比較有名氣的是北大、南大、中科大，中科院紫金山天文台等。國外的話，加州理工（生活大爆炸上）搞這個的比較狂熱，MIT、普林斯頓、伯克利、哈佛、劍橋（霍金在那裡）等都有。——這是名氣較大一些的，其它機構當然也很多。搜一搜「天體物理」「天文學」「空間物理」等詞彙就知道了。

❿ 我是個學生，我對關於物理時空特別感興趣，希望能提供基本入門書，就是關於時間軸，愛因斯坦相對論這類書

《圖說相對論》（林為民）
《時間之箭》（彼得·柯文尼 羅傑·海菲爾德）
《費曼講物理——相對論》（理查德·費曼）
《黑洞與時間彎曲》（基普·S·索恩）
《宇宙的琴弦》（B·格林）
如此高深的物理理論即便是盡量不用數學去盡可能淺顯地解說，你也不能指望它們容易懂啊！否則，愛因斯坦等一大批頂級科學家的睿智豈非變得難以令人欽佩了嗎？