物理时空

❶ 解释一下物理的时空学

狭义相对论(Special Relativity)是主要由爱因斯坦创立的时空理论，是对牛顿时空观的改造。

伽利略变换与电磁学理论的不自洽

到19世纪末，以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所证实，但麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性。而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。

迈克尔孙寻找以太的实验

为解决这一矛盾，物理学家提出了“以太假说”，即放弃相对性原理，认为麦克斯韦方程组只对一个绝对参考系（以太）成立。根据这一假说，由麦克斯韦方程组计算得到的真空光速是相对于绝对参考系（以太）的速度；在相对于“以太”运动的参考系中，光速具有不同的数值。

实验的结果——零结果

但斐索实验和迈克耳逊－莫雷实验表明光速与参考系的运动无关。

洛仑兹坐标变换

洛仑兹变换是描述狭义相对论空间中各参考系间关系的变换。它最早由洛仑兹从以太说推出，用以解决经典力学与经典电磁学间的矛盾（即迈克尔孙-莫雷实验的零结果）。后被爱因斯坦用于狭义相对论。

1632年，伽利略出版了他的名著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。书中那位地动派的“萨尔维阿蒂”对上述问题给了一个彻底的回答。他说：“把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里，让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫，舱内放一只大水碗，其中有几条鱼。然后，挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里。船鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐口，你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向用更多的力。你双脚齐跳，无论向哪个方向跳 过的距离都相等。当你仔细地观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远。虽然你跳到空中时，脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。你把不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也并不需要用更多的力。水滴将象先前一样，滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾。虽然水滴在空中时，船已行驶了许多柞(为大指尖到小指尖伸开之长，通常为九英寸，是古代的一种长度单位)。鱼在水中游向水碗前部所用的力并不比游向水碗后部来得大；它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。最后，蝴蝶和苍蝇继续随便地到处飞行，它们也决不会向船尾集中，并不因为它们可能长时间留在空中，脱离开了船的运动，为赶上船的运动而显出累的样子。”
萨尔维阿蒂的大船道出一条极为重要的真理，即：从船中发生的任何一种现象，你是无法判断船究竟是在运动还是停着不动。现在称这个论断为伽利略相对性原理。
用现代的语言来说，萨尔维阿蒂的大船就是一种所谓惯性参考系。就是说，以不同的匀速运动着而又不忽左忽右摆动的船都是惯性参考系。在一个惯性系中能看到的种种现象，在另一个惯性参考系中必定也能无任何差别地看到。亦即，所有惯性参考系都是平权的、等价的。我们不可能判断哪个惯性参考系是处于绝对静止状态，哪一个又是绝对运动的。
伽利略相对性原理不仅从根本上否定了地静派对地动说的非难，而且也否定了绝对空间观念（至少在惯性运动范围内）。所以，在从经典力学到相对论的过渡中，许多经典力学的观念都要加以改变，唯独伽利略相对性原理却不仅不需要加以任何修正，而且成了狭义相对论的两条基本原理之一。

狭义相对论的两条原理 1905年，爱因斯坦发表了狭义相对论的奠基性论文《论运动物体的电动力学》。关于狭义相对论的基本原理，他写道： “下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的，这两条原理我们规定如下：
1．物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。
2．任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度c运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。”
其中第一条就是相对性原理，第二条是光速不变性。整个狭义相对论就建筑在这两条基本原理上。
爱因斯坦的哲学观念是,自然界应当是和谐而简单的。的确，他的理论常有一种引人注目的特色：出于简单而归于深奥。狭义相对论就是具有这种特色的一个体系。狭义相对论的两条基本原理似乎是并不难接受的“简单事实”，然而它们的推论却根本地改变了牛顿以来物理学的根基。
后面我们将开始这种推论。

爱因斯坦狭义相对论
相对论是20世纪物理学史上最重大的成就之一，它包括狭义相对论和广义相对论两个部分，狭义相对论变革了从牛顿以来形成的时空概念，提示了时间与空间的统一性和相对性，建立了新的时空观。广义相对论把相对原理推广到非惯性参照系和弯曲空间，从而建立了新的引力理论。在相对论的建立过程中，爱因斯坦起了主要的作用。
爱因斯坦是美籍德国物理学家。1914年任德国威廉皇帝物理研究所所长和普鲁士科学院院士，1933年因遭纳粹政权迫害迁往美国，任普林斯顿高等研究院主任。1905睥，在他26岁时，法文科学杂志《物理年鉴》刊登了他的一篇论文《论运动物体的电动力学》，这篇论文是关于相对论的第一篇论文，它相当全面地论述了狭义相对论，解决了从19世纪中期开始，许多物理学家都未能解决的有关电动力学以及力学和电动力学结合的问题。
提起狭义相对论，很多人马上就想到钟表慢走和尺子缩短现象。许多科学幻想作品用它作题材，描写一个人坐火箭遨游太空回来以后，发现自己还很年轻，而孙子已经变成了老头。其实，钟表慢走和尺子缩短只是狭义相对论的几个结论之一，它是指物体高速运动的时候，运动物体上的时钟变慢了，尺子变短了。钟表慢走和尺子缩短现象就是时间和空间随物质运动而变化的结果。狭义相对论还有一个质量随运动速度而增加的结论。实验中发现，高速运动的电子的质量比静止的电子的质量大。
狭义相对论最重要的结论是使质量守恒失去了独立性。它和能量守恒原理融合在一起，质量和能量可以互相转化。如果物质质量是M，光速是C，它所含有的能量是E，那么E=MC^2。这个公式只说明质量是M的物体所蕴藏的全部能量，并不等于都可以释放出来，在核反应中消失的质量就按这个公式转化成能量释放出来。按这个公式，1克质量相当于9＊10 3焦耳的能量。这个质能转化和守恒原理就是利用原子能的理论基础。
在狭义相对论中，虽然出现了用牛顿力学观点完全不能理解的结论：空间和时间随物质运动而变化，质量随运动而变化，质量和能量的相互转化，但是狭义相对论并不是完全和牛顿力学割裂的，当运动速度远低于光速的时候，狭义相对论的结论和牛顿力学就不会有什么区别。
几十年来的历史发展证明，狭义相对论大大推动了科学进程，成为现代物理学的基本理论之一。
爱因斯坦于1922年12月有4日，在日本京都大学作的题为《我是怎样创立相对论的？》的演讲中，说明了他关于相对论想法的产生和发展过程。他说：“关于我是怎样建立相对论概念这个问题，不太好讲。我的思想曾受到那么多神秘而复杂的事物的启发，每种思想的影响，在生活幸福论概念的发展过程中的不同阶段都不一样……我第一次产生发展相对论的念头是在17年前，我说不准这个想法来自何处，但是我肯定，它包含在运动物体光学性质问题中，光通过以大海洋传播，地球在以太中运动，换句话说，即以太阳对地球运动。我试图在物理文献中寻找以太流动的明显的实验证据，蓝天是没有成功。随后，我想亲自证明以太相对地球的运动，或者说证明地球的运动。当我首次想到这个问题的时候，我不怀疑以太的存在或者地球通过以太的运动。”于是，他设想了一个使用两个热电偶进行的实验：设置一些反光镜，以使从单个光源发出的光在两个不同的方向被反射，一束光平行于地球的运动方向且同向，另一束光逆向而行。如果想象在两个反射光束间的能量差的话，就能用两个热电偶测出产生的热量差。虽然这个实验的想法与迈克尔逊实验非常相似，但是他没有得出结果。
爱因斯坦说：他最初考虑这个问题时，正是学生时代，当时他已经知道了迈克尔逊实验的奇妙结果，他很快就得出结论：如果相信迈克尔逊的零结果，那么关于地球相对以太运动的想法就是错误的。他说道：“这是引导我走向狭义相对论的第一条途径。自那以后，我开始相信，虽然地球围绕太阳转动，但是，地球运动不可能通过任何光学实验探测太阳转动，但是，地球的运动不可能通过任何光学实验探测出来。”
爱因斯坦有机会读了洛伦兹在1895年发表的论文，他讨论并完满解决了u/c的高次项（u为运动物体的速度，c为光速）。然后爱因斯坦试图假定洛伦兹电子方程在真空参照系中有效，也应该在运动物体的参照系中有效，去讲座菲索实验。在那时，爱因斯坦坚信，麦克斯韦－洛伦兹的电动力学方程是正确的。进而这些议程在运动物体参照系中有效的假设导致了光速不变的概念。然而这与经典力学中速度相加原理相违背。
为什么这两个概念互相矛盾。爱因斯坦为了解释它，花了差不多一年的时间试图去修改洛伦兹理论。一个偶然的机会。他在一个朋友的帮助下解决了这一问题。爱因斯坦去问他并交谈讨论了这个困难问题的各个方面，突然爱因斯坦找到了解决所有的困难的办法。他说：“我在五周时间里完成了狭义相对论原理。”
爱因斯坦的理论否定了以太概念，肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的特殊形式，并对空间、时间的概念进行了深刻的分析，从而建立了新的时空关系。他1905年的论文被世界公认为第一篇关于相对论的论文，他则是第一位真正的相对论物理学家。

狭义相对论效应
根据狭义相对性原理，惯性系是完全等价的，因此，在同一个惯性系中，存在统一的时间，称为同时性，而相对论证明，在不同的惯性系中，却没有统一的同时性，也就是两个事件(时空点)在一个惯性系内同时，在另一个惯性系内就可能不同时，这就是同时的相对性，在惯性系中，同一物理过程的时间进程是完全相同的，如果用同一物理过程来度量时间，就可在整个惯性系中得到统一的时间。在今后的广义相对论中可以知道，非惯性系中，时空是不均匀的，也就是说，在同一非惯性系中，没有统一的时间，因此不能建立统一的同时性。
相对论导出了不同惯性系之间时间进度的关系，发现运动的惯性系时间进度慢，这就是所谓的钟慢效应。可以通俗的理解为，运动的钟比静止的钟走得慢，而且，运动速度越快，钟走的越慢，接近光速时，钟就几乎停止了。
尺子的长度就是在一惯性系中"同时"得到的两个端点的坐标值的差。由于"同时"的相对性，不同惯性系中测量的长度也不同。相对论证明，在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，这就是所谓的尺缩效应，当速度接近光速时，尺子缩成一个点。
由以上陈述可知，钟慢和尺缩的原理就是时间进度有相对性。也就是说，时间进度与参考系有关。这就从根本上否定了牛顿的绝对时空观，相对论认为，绝对时间是不存在的，然而时间仍是个客观量。比如在下期将讨论的双生子理想实验中，哥哥乘飞船回来后是15岁，弟弟可能已经是45岁了，说明时间是相对的，但哥哥的确是活了15年，弟弟也的确认为自己活了45年，这是与参考系无关的，时间又是"绝对的"。这说明，不论物体运动状态如何，它本身所经历的时间是一个客观量，是绝对的，这称为固有时。也就是说，无论你以什么形式运动，你都认为你喝咖啡的速度很正常，你的生活规律都没有被打乱，但别人可能看到你喝咖啡用了100年，而从放下杯子到寿终正寝只用了一秒钟。

时钟佯谬或双生子佯谬
相对论诞生后，曾经有一个令人极感兴趣的疑难问题---双生子佯谬。一对双生子A和B，A在地球上，B乘火箭去做星际旅行，经过漫长岁月返回地球。爱因斯坦由相对论断言，二人经历的时间不同，重逢时B将比A年轻。许多人有疑问，认为A看B在运动，B看A也在运动，为什么不能是A比B年轻呢?由于地球可近似为惯性系，B要经历加速与减速过程，是变加速运动参考系，真正讨论起来非常复杂，因此这个爱因斯坦早已讨论清楚的问题被许多人误认为相对论是自相矛盾的理论。如果用时空图和世界线的概念讨论此问题就简便多了，只是要用到许多数学知识和公式。在此只是用语言来描述一种最简单的情形。不过只用语言无法更详细说明细节，有兴趣的请参考一些相对论书籍。我们的结论是，无论在那个参考系中，B都比A年轻。
为使问题简化，只讨论这种情形，火箭经过极短时间加速到亚光速，飞行一段时间后，用极短时间掉头，又飞行一段时间，用极短时间减速与地球相遇。这样处理的目的是略去加速和减速造成的影响。在地球参考系中很好讨论，火箭始终是动钟，重逢时B比A年轻。在火箭参考系内，地球在匀速过程中是动钟，时间进程比火箭内慢，但最关键的地方是火箭掉头的过程。在掉头过程中，地球由火箭后方很远的地方经过极短的时间划过半个圆周，到达火箭的前方很远的地方。这是一个"超光速"过程。只是这种超光速与相对论并不矛盾，这种"超光速"并不能传递任何信息，不是真正意义上的超光速。如果没有这个掉头过程，火箭与地球就不能相遇，由于不同的参考系没有统一的时间，因此无法比较他们的年龄，只有在他们相遇时才可以比较。火箭掉头后，B不能直接接受A的信息，因为信息传递需要时间。B看到的实际过程是在掉头过程中，地球的时间进度猛地加快了。在B看来，A现实比B年轻，接着在掉头时迅速衰老，返航时，A又比自己衰老的慢了。重逢时，自己仍比A年轻。也就是说，相对论不存在逻辑上的矛盾。

相对论要求物理定律要在坐标变换(洛伦兹变化)下保持不变。经典电磁理论可以不加修改而纳入相对论框架，而牛顿力学只在伽利略变换中形势不变，在洛伦兹变换下原本简洁的形式变得极为复杂。因此经典力学与要进行修改，修改后的力学体系在洛伦兹变换下形势不变，称为相对论力学。
狭义相对论建立以后，对物理学起到了巨大的推动作用。并且深入到量子力学的范围，成为研究高速粒子不可缺少的理论，而且取得了丰硕的成果。然而在成功的背后，却有两个遗留下的原则性问题没有解决。第一个是惯性系所引起的困难。抛弃了绝对时空后，惯性系成了无法定义的概念。我们可以说惯性系是惯性定律在其中成立的参考系。惯性定律的实质是一个不受外力的物体保持静止或匀速直线运动的状态。然而"不受外力"是什么意思?只能说，不受外力是指一个物体能在惯性系中静止或匀速直线运动。这样，惯性系的定义就陷入了逻辑循环，这样的定义是无用的。我们总能找到非常近似的惯性系，但宇宙中却不存在真正的惯性系，整个理论如同建筑在沙滩上一般。第二个是万有引力引起的困难。万有引力定律与绝对时空紧密相连，必须修正，但将其修改为洛伦兹变换下形势不变的任何企图都失败了，万有引力无法纳入狭义相对论的框架。当时物理界只发现了万有引力和电磁力两种力，其中一种就冒出来捣乱，情况当然不会令人满意。
爱因斯坦只用了几个星期就建立起了狭义相对论，然而为解决这两个困难，建立起广义相对论却用了整整十年时间。为解决第一个问题，爱因斯坦干脆取消了惯性系在理论中的特殊地位，把相对性原理推广到非惯性系。因此第一个问题转化为非惯性系的时空结构问题。在非惯性系中遇到的第一只拦路虎就是惯性力。在深入研究了惯性力后，提出了著名的等性原理，发现参考系问题有可能和引力问题一并解决。几经曲折，爱因斯坦终于建立了完整的广义相对论。广义相对论让所有物理学家大吃一惊，引力远比想象中的复杂的多。至今为止爱因斯坦的场方程也只得到了为数不多的几个确定解。它那优美的数学形式至今令物理学家们叹为观止。就在广义相对论取得巨大成就的同时，由哥本哈根学派创立并发展的量子力学也取得了重大突破。然而物理学家们很快发现，两大理论并不相容，至少有一个需要修改。于是引发了那场著名的论战：爱因斯坦VS哥本哈根学派。直到现在争论还没有停止，只是越来越多的物理学家更倾向量子理论。爱因斯坦为解决这一问题耗费了后半生三十年光阴却一无所获。不过他的工作为物理学家们指明了方向：建立包含四种作用力的超统一理论。目前学术界公认的最有希望的候选者是超弦理论与超膜理论。

洛仑兹坐标变换：
X=γ(x-ut)
Y=y
Z=z
T=γ(t-ux/c^2)
(注：γ=1/sqr(1-u^2/c^2),β=u/c,u为惯性系速度。)

相对论力学
(一)速度变换：
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)尺缩效应：△L=△l/γ或dL=dl/γ
(三)钟慢效应：△t=γ△τ或dt=dτ/γ
(四)光的多普勒效应：ν(a)=sqr((1-β)/(1+β))ν(b)
(光源与探测器在一条直线上运动。)
(五)动量表达式：P=Mv=γmv,即M=γm.
(六)相对论力学基本方程：F=dP/dt
(七)质能方程：E=Mc^2
(八)能量动量关系：E^2=(E0)^2+P^2c^2

❷ 物理学上怎样穿越时空

穿越时空，理论上是可以的，但是宇宙中最快的速度是光速。根据爱因斯坦的时空观，运动快速的物体时间会变慢。当人的速度达到光速，根据爱因斯坦的质量公式，速度越接近光速，则那人的质量无限大。在参考系中静止的物体质量为M0，以速度v运动的物体质量为M1，那么 M1=MO/[1-(v/c)^2],(c为光速下同)。实际上很难办到。

❸ 绝对时空观和相对时空观的物理含义分别是什么

绝对时空观是哲学家和艺术家的事情。
相对时空观是物理学家的事情。

❹ 物理学中的时空概念

时、空都是绝对概念，是存在的基本属性。但其测量数值却是相对于参照系而言的。
“时间”是抽象概念，表达事物的生灭排列。其内涵是无尽永前，其外延是一切事件过程长短和发生顺序的度量。“无尽”指时间没有起始和终结，“永前”指时间的增量总是正数。
“空间”是抽象概念，表达事物的生灭范围。其内涵是无界永在，其外延是一切物件占位大少和相对位置的度量。“无界”指空间里任一点都居中，“永在”指空间永现于当前时刻。
因为在狭义相对论中，光速是测量时、空的共同尺子，时、空的变化在此共尺上表现依存规律，即遵从洛伦兹变换。所以，时、空的测量数值是相对于具体惯性系的，如同时性在测量上不是绝对的，相对于某一参照系为同时发生的两个事件，相对于另一参照系可能并不同时发生；长度和时段在测量上也不是绝对的，运动的尺相对于静止的尺变短，运动的钟相对于静止的钟变慢。光速在狭义相对论中是绝对量，对于任何惯性参照系光速都是常量c。

❺ 时空是物理的范畴吗

属于物理 宇宙学 、天体物理学
属于数学 时空几何学

❻ 时空物理的介绍

时空物理，又被称作现代物理、理论物理、时空宇宙学。时空物理研究的方向是时间与空间的关系。时空物理由阿尔伯特·爱因斯坦奠基，相对论是时空物理的理论依据，当量子力学成功后，其在时空物理的地位就超过了相对论，人们开始逐渐用量子力学处理时空，但时空物理不仅涉及到物理，还涉及到如逻辑学，伦理学等诸多理论。

❼ 物理中绝对时空观定义是什么

绝对时空观认为时间和空间是两个独立的观念，彼此之间没有联系，分别具有绝对性。绝对时空观认为时间与空间的度量与惯性参照系的运动状态无关，同一物体在不同惯性参照系中观察到的运动学量（如坐标、速度）可通过伽利略变换而互相联系。这就是力学相对性原理：一切力学规律在伽利略变换下是不变的。
相关介绍：
经典时空观首先由牛顿明确提出，牛顿在他的名著《自然哲学的数学原理》一书中，对绝对时间和绝对空间作了明确的表述（见本章“题记”），因此又叫做牛顿时空观，所谓绝对，是指时间和空间与观测者的运动状态无关，实际上，绝对时空观是人们在低速状态下的经验总结，例如我国唐代大诗人李白的著名诗句：“夫天地者，万物之逆旅；光阴者，百代之过客”，就是对绝对空间和绝对时间的形象比喻

❽ 物理时空中的独立客体实体是什么意思

时空概念在物理学中的地位和作用
物理学随着人们对时空与物理客体之间关系的认识之进化而进化，从而时空概念本身及其在物理学中的地位和作用，也在发生着相应的变化。
尽管物理学家在面对一个共同的客观世界时，可以持有不同的时空观，然而在一定的历史条件下，物理学必须并且只能以一个一致的时空概念作为其研究的基础和出发点。物理学的时空概念不可与哲学上的时空观相等同，因为前者以科学论证为特征，而后者以抽象思辨为特征。但是，它们以不同的方式都影响着物理学家的研究，为破除旧的概念、形成新的概念提供着方法论武器。而当一种物理时空概念形成，进而发展成为科学理论体系，并以其科学的特质影响着不同的哲学学派对时空概念的解读时，物理学的时空观便成为哲学时空观的科学基础。哲学史上的时空观就是在与物理学时空概念的抽象化、理想化要求之间的相互作用和相互启发中，产生和演变的。
近代科学以一种时空和物质相分离的观念作为出发点并在此基础上发展起来，这是伽利略、笛卡尔、牛顿等人对传统自然哲学时空观进行批判和扬弃的结果，由此形成了科学化的时空概念。这种时空概念一开始是一种数学化、具有公理性的规定，后来逐渐为哲学家所理解和接受。它将因果性不仅确立为自然的基本原理，而且确立为哲学在理解自然时的基本观念。这种观念为构成近代科学的哲学基础起到了背景的作用。在物理学上，坚信自然的物理规律是统一的信念和对物质本原的深入研究，推动着物理学时空概念的发展；时空概念的变革成为物理学发展过程中解决理论矛盾的出路。
时空概念的进化最终导致时空自身作为一种特殊的对象而成为物理学的研究目标。时空的内禀性质需要发掘，时空成为物质和物理作用性质的起因；时空从超自然回归自然，时空概念从先验的公理概念转变为实在性概念：时空是实在的本性和表现之一——这些变化触动了以牛顿力学观念为科学基础的哲学体系，促成了哲学上的大变革：一种发展的、变化的、整体的且具有丰富相互作用关系的时空图景进入到不同哲学派别的时空观念中，形成了尔后科学与哲学之间种种相互作用的新起点。
一、科学化时空概念的建立和演变
第一个科学意义上的时空概念是被称为“绝对时空”的牛顿力学中的时空概念。牛顿说：“绝对的、真实的和数学的时间，由其特性决定，自身均匀地流逝，与一切外在事物无关”；“绝对空间：其自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，永不移动。”(牛顿，第6页)这里的时间是作为一种一维空间化的东西来看待的，因此牛顿范式下的时空问题实际上是一种广义的空间问题，形成的是承担“因果”的“序”(物理客体间的“形”的变化)的一维空间和作为“量”(物理客体的“形”的分布)的三维空间的一个总合的空间概念。这个空间概念被定义为与物理作用无关，其时空下两点间的作用是“瞬间”的、超距的，因为这个时空是由两个互不关联的空间形式并行存在的。这个时空的主要特征和作用是作为运动的背景和运动量的度量的背景，并可按照欧氏几何将其几何化。
除了作为背景之外，这种空间没有其他作用。因此爱因斯坦在总结牛顿意义下的空间概念(即时空概念)时说道：“空间不仅作为一个同物质客体无关的独立的东西而引进来，而且还指定它在整个理论的因果结构中担任一个绝对的角色。这个角色从这样的意义上说来是绝对的空间(作为一个惯性系)作用于一切物质客体，可是这些物质客体却不反过来给空间以任何反作用。”(《爱因斯坦文集》第1卷，第589页)对于这种传统意义上的空间概念，爱因斯坦还写道：“空间的这两种概念可以像下面这样对比起来：(a)空间作为物质客体世界的位置性质；(b)空间作为一切物质客体的容器。在情况(a)，要是没有物质客体，空间是不可思议的。在情况(b)，物质客体只能被想象为存在于空间里面的；因此空间好像是这样一种实在，它在某种意义上是超越于物质世界的。”(同上，第588页)这种时空概念在一定意义上超越了物质世界，使得问题的处理大大简化。
经典物理理论中作为一切物理现象背景的时空概念的建立，对物理学摆脱自然哲学的纯思辨、走向科学化的分析起了决定性的作用，也系统地阐发了机械唯物主义的时空观；其最重要的贡献就是用科学的体系确立了因果性在科学和哲学上的重要地位。
然而，19世纪末物理学的黑体辐射和以太问题，导致了对这种“绝对时空”观的合理性的怀疑，由此引起了空间概念的变化及其在物理理论中的角色的改变。相对论统一了时间和空间的地位和作用，消除了各自的独立性，使时空成为一个关联的整体。相对论的产生引发了对时空问题的哲学思辨的新热潮。这时，直观、经验、综合的局限性被人们再次认识到，新理论下的时空概念变得相当技术化。科学史家杰拉耳德·霍耳顿认为：“相对论不但对于物理学本身，而且对于现代科学的哲学也是一种关键性的进展。”(见许良英编，第17页)这样一种新时空概念及其所形成的对自然的新时空观，并不容易被理解和接受。同时，这种时空概念与哲学上传统的时空观表现出有限性和无限性、直观性和非直观性上的冲突，有限与无限、有界与无界的辩证关系再次进入人们的思考中，这进一步增加了对其理解的难度。所以，无论是在物理学上还是哲学上，接受相对论的时空概念都不是一件轻而易举的事情。
新的时空概念必然改变时空在理论中的地位和作用。普遍的背景作用被消除后，时空就像一切物理客体一样与其他物理客体之间存在相互作用：时空的特性依赖于其他物理客体，同时通过对其他物理客体的作用表现出自身的特性。引力可以用空间几何特征的空间弯曲得到解释和理解；物质间的作用以及物质的产生与我们所处时空的基本特性有关，即我们为什么具有这样的物质结构，是与时空的本性相关的，而我们的时空为什么是这样的，也是由物质世界的结构所决定的。这样一来，经典理论中那些特设性的形而上学的概念就被剔除了，时空的本质与物理客体的作用关联了起来，从而为将时空自身作为需要研究的物理实在提供了条件。时空的地位不再完全凌驾于一切物理对象和作用之上，而是同它们相互融合。物理学的时空概念变成了哲学时空观在物理学中的狭义表现。
物质结构和微观领域的研究从另一个角度再次冲击了传统的时空观。量子的概念使得物理对象的全域性成为普遍的。物理客体的描述不存在严格意义上的边界，而客体的边界的消失使得物理客体与其背景的“空间”在严格意义上也不再可以区分。量子同场的概念相结合，物质和空间不再彼此独立，所以爱因斯坦说：“没有场的空间是不存在的。”时空和场是一个互相制约、互相依存的整体，是一个东西的两种不同的表述，理解物理时空就是理解“场”。
当代物理学中的时空概念从某种意义上反映了经验和理性之间的辩证关系，说明仅从经验出发是不够的，还需要排除直观经验的干扰，用理性的力量去把握现象之后的东西。
总之，时空的概念经历了一个从形而上的背景到实在的本体的变化过程。从牛顿的“与一切外在事物无关的绝对空间和时间”，到爱因斯坦的以“场”的形式存在的空间，时空概念在物理学中发生了巨大的变化或者说进化。理解时空概念在不同阶段的产生过程和内涵，可以帮助我们理解这一演变的必然性。
二、作为物理背景的时空
古希腊人认为，人类有三种重要的空间经验：处所经验、虚空经验和广延经验。前科学时期，亚里士多德提出了“处所”的空间范畴，同时欧几里得建立了以几何图形为对象的几何体系。但“处所”并未与几何相结合，一些学者研究认为，三维的欧氏空间在欧几里得的心目中并不存在。(参见吴国盛)“处所”是亚氏以后的主要空间范畴。亚氏的“处所”是非背景化的、局域化的，并被其目的论的运动理论赋予了绝对的不均匀性，所以“处所”不可以作为所有物体定位的背景空间，也无法几何化。“处所”范畴不能形成近代的空间概念，从而也未能使亚氏的物理学成为一种科学体系。
牛顿的近代空间概念具有两个重要的特征：背景特征和几何化特征。背景特征在物理学中的作用是最为关键的。在纷杂的世界中将欧氏几何的数学特征赋予空间、将空间作为“背景”，这是一个大胆而且方便的抽象。要使空间成为背景，空间就必须成为一个与物理客体对立的、在任何运动下都不会改变的存在，并且它在被赋予几何性质前必须是均质的。牛顿的绝对时空概念的提出正是这一要求的反映。这既符合当时人类的经验，也吸收了自然哲学的成就。这种近代的空间观念在物理学及其发展中扮演了十分重要的角色，它使数学化的技术手段得以实现。因此，它成为这一时期物理学的前提基础，是物理学科学革命的起点，从此物理学走向了严密自然科学发展的道路。
按照这种时空观，不仅要将物理客体同时空相分离，也要把人从时空中分离出来，使人的认识对于时空是统一的，要排除无处不在的观察者的影响。因此，牛顿赋予作为理论基础的空间一个绝对的性质：以绝对时空为背景的惯性参考系，通过满足伽利略的相对性原理而保持其物理上的和谐与统一性。之后，笛卡尔的坐标系又将牛顿的绝对时空的数学化精致地表现出来。不论这种严格意义上的惯性系在经验上是否存在，它在理论的建立中都起到了关键的前提作用。
牛顿未能对这一前提在经验上的可靠性给出合理的说明，这成为以后马赫等人对其时空观进行批判和突破的关键点。在一定意义上，这种空间和时间是形而上学的公设概念。从“思维经济”的角度看，这种时空定义就当时的认识程度而言是适当的，在以后的实践中也得到了证明。因此，弗洛里安·卡约里在其“关于《原理》的历史与解释性注释”中认为，绝对的时间和绝对的直线运动虽然“并没有以实验证据为基础，因而可以说成是形而上学的”，但是“牛顿的假设满足了二百多年前科学发展所需的检验”。(见牛顿，第647页)牛顿虽然没有在马赫之前提出“思维经济”的思想，然而他的成功对于在科学发展中将“思维经济”作为一种对理论之优越性进行评判的标准，起到了支持作用。
时空作为背景的不变性，使得物理学家可以排除客观世界中纷杂的各种联系，抓住物理世界的主要矛盾，同时这种几何特征和背景特征也可拓展至更具广泛意义的理论中。由拉格朗日(1736—1813)、泊松(1781—1840)、哈密顿(1805—1865)等人建立发展起来的分析力学体系，使得力学原理即使用很不同的方式来描述，也能得出相同的结论。将与经验直觉相联系的基本概念——位移、速度、加速度、质量、力等抽象成为理论概念，并理想化地给予严格定义，这些都是建立在具有独立背景的时空基础上的。广义坐标和拉格朗日方法、哈密顿的正则方程在更抽象的层面上使用了牛顿的这一背景性质的时空，使力学的语言可以描绘更多的物理现象，如光学、声学和电学现象。这些拓展为当代物理学突破作为绝对背景的时空观，提供了可以应用的物理学思想和方法。
另一方面，背景空间的独立性使得几何空间可以单独由数学研究。欧几里得时期的几何并不研究实际的物理空间，因为每个人通过直觉获得的空间经验有着许多差异，心理空间或者个人空间是非各向同性的，其连续性和维数也是非常不确定的。只有过渡到同物理刚性相联系的、脱离个人经验直觉及各种感官知觉形态集合的抽象，才能形成与几何相联系的物理空间。同时，在背景空间的独立性下，人们注意到，抽象的空间图形并不与构成它的物体的特殊本性相关：它是独立的，可以脱离开物理性质而加以研究。绝对时空概念的合理性正是通过它对理论发展的功用来获得证明的。物理学又刺激了抽象的几何学的研究：N维空间的概念在18世纪由于分析力学的发展而有所前进，并推动N维几何学脱离物理学独自向前发展，从而为物理学今后的发展再次准备好数学的武器。
力学体系的成功激发了哲学上机械决定论的诞生，但是由于它是建立在牛顿的时空概念之上的，因而随着这一概念自身问题的凸显，机械决定论也就必然地走向了破产。19世纪末物理学中的黑体辐射和以太问题引发了对时空概念本身的思考，于是时空的角色再次发生变化，时空自身成为物理学研究的对象，时空几何的唯一性受到了怀疑。
三、具有物理作用的时空
相对论的提出使物理学家认识到背景化的时空概念对时空的描述是不完全的：时空除了作为背景外，还具有物理作用。爱因斯坦对时空的物理作用的揭示，是通过消除传统意义上的时间、空间概念的独立性(狭义相对论)和实现几何化纲领(广义相对论)达到的。
“同时性”概念的深入分析是消除传统意义上的时间、空间概念的独立性的突破点。空间测量的“同时性”是有物理条件的。爱因斯坦证明，无法从无数个(处于相对运动中的不同参考系里的)等价的“地方时”中识别出绝对时间；只有相对于确定的参考系来说，时间数据才有意义，因此绝对时间单独不具有物理实在性，时间与空间的关系是相对化的。也因此，不存在超距作用，在三维空间上，物理的几何与数学的几何是不同的。闵可夫斯基认为相对论运动学的本质在于空间和时间的不可分割性；真实的世界是一个四维流形，它的元素是世界点：“从今以后，空间和时间应该退化为仅仅是个影子，而只有空间和时间二者的某种结合才保持着独立的存在。”(见玻恩，第340页)
值得一提的是在理解狭义相对论时，哲学家中流行的观点往往只注意到狭义相对论对传统时空形式的革命，但物理学家如H. 马根脑、R. B. 林赛、A. 格吕鲍姆等人，却认为相对论并不像人们通常所认为的那样抛弃了绝对空间的概念，甚至连爱因斯坦本人也没有明确地表示对绝对空间的否定。实际上，三维空间和一维时间的独立的绝对背景性质被提升到了闵可夫斯基的四维空间中，闵氏时空是一种高维的牛顿时空。在这种意义上，狭义相对论并没有与牛顿的绝对空间断绝关系，因为四维背景时空与物理体系仍旧各自独立，不相互作用。但这一变化的革命性仍是显而易见的：它使人们的认识回归到宇宙是一个整体的概念上来，而不再主张独立的空间和时间，并且突出了时空在三维上的物理作用。狭义相对论的时空使得牛顿时空所掩盖的时空的物理作用得到揭示：正是在这种时空的特性下，电磁现象同力学现象一样可以满足相对性原理；能量和惯性质量是统一的，E=mC[2]；任何参考系下都存在一个速度的上限，即真空中的光速C，真实的物理过程不是超距的，等等。当然，这也使得物理学中的时间更加不同于哲学中的“时间”范畴，因为物理学的时间不再具有优于空间的特性。
狭义相对论在物理理论中第一次揭示了空间的物理作用；并且这个作用是实在的，而不是如“惯性力”那样的特设的虚的东西。
广义相对论体系进一步揭示了时空有其物理作用的特性：度规。物质的存在影响着时空的度规，时空的度规则决定着物质的运动形式。所谓“度规”就是空间几何性质的一种度量。度规系数反映了整个空间的几何测量的性质。使用度规体现了爱因斯坦揭示空间的基本相互作用的几何化纲领。为达到此目的，就必须破除欧氏几何以先验地位对真实空间所作的描述，对此，爱因斯坦认为必须采取几何学(G)+物理定律(P)的结构。
彭加勒认为感觉并不能成为我们选择真实空间几何的基础：“在这一选择中，经验引导我们，而没有把它强加于我们；经验没有告诉我们哪一个是最真实的几何学，而是告诉我们哪一个是最方便的几何学。”(彭加勒，第59页)因此，几何学并不是经验的，至少严格意义上不是经验的。(同上，第55页)纯粹数学意义上的几何研究被我们所定义的数学概念之间的关系，而与实在空间无关。
几何学的限制被解除了，(G)+(P)模型解开了欧氏几何同物理实在间原始的、直接的关系：“几何(G)并不断言实在事物的性状，而只有几何加上全部物理定律(P)才能做到这点。用符号来表示，我们可以说：只有(G)+(P)的和才能得到实验的验证。因此，(G)可以任意选取，(P)的某些部分也可以任意选取；所有这些定律都是约定。为了避免矛盾，必须注意的只是怎样来选取(P)的其余部分，使得(G)和全部的(P)合起来能够同经验相符合。从这个角度来考虑，公理学的几何同已获得公认地位的那部分的自然规律，在认识论上看来是等效的。”(《爱因斯坦文集》第1卷，第139页)
(G)+(P)问题对于时空问题是一个很重要的论题，同时它在哲学上也产生了巨大的影响。彭加勒和其他许多人对这一问题的讨论，导致了哲学上对康德的“先验综合”观念的怀疑和再思考，并产生了“相对主义”和“约定论”这样的哲学思潮。将(P)赋予时空是新时空概念的重大进步，它使得时空在物理理论中不再仅仅作为背景，而是与时空中的物理系统合成一个相互作用的整体：时空的作用决定了我们世界的物理定律的形式，而我们世界的物理定律的形式则表明我们具有什么样的时空。新的时空概念揭示了牛顿时空概念掩盖的现象，并解释了其不能合理解释的现象。
物理学对几何与物理时空关系认识的深化，引发了有关何种几何是我们的空间几何的思考。这种思考成为当代科学哲学的一个热点，同时也成为科学哲学对康德“先验综合”的突破口。对此，赖欣巴哈、卡尔纳普和内格尔等人都作了深入的讨论。这是当代物理学研究成果为哲学家提供科学思想武器的一个突出事例。不变的时空观和单一的时空观并不为自然科学的结论所证明，相反，人类认识的深入已经表明时空观是在变化的，并且因角度和条件的不同可以并存多种时空观。
随着物理学所涉范围在宏观、微观上的深入，将时空作为独特的物理对象来研究成为必然。
四、作为物理对象的时空
当代物理学中时空概念的变化导致其地位发生了根本改变：时空依旧是所有理论的基础，但它已不是那个简单的、静态的、背景的基础概念，而是与整个物理基础理论的各个分支构成一种互动式的制约关系——这决定了时空是物理学最重要的研究对象。
五、结语
时空概念的发展和丰富及其在物理学中的地位和作用的变化，体现了人类认识过程中理性和经验、人与物理对象之间的相互作用。
首先，像时空概念这样重要的理论元素，如果不能正确认识它的相对性，而将其地位绝对化，仅在理论内部为“拯救”现象做特设性的调整，那将会阻碍理论的发展。从人类经验综合和抽象而来的概念，不应该是静止的、绝对化的，而应随着人类认识和实践的发展而发展。在这里，哲学的作用不可小视。时空概念的变化表明，“科学进步”决定了概念变化的方向。也就是说，我们要认识到概念变化的必然性及其变化的方向性。
其次，概念都是人的抽象思维的产物。在抽象过程中，我们不得不在一定的认识条件下对经验现象作取舍和理想化；而在认识发展到更高阶段，处理更深层次和更广泛的现象和问题时，这些取舍和理想化就变得不再那么合理。可是，发现这种不合理却不是一件容易的事。爱因斯坦在为M. 雅默 (Max Jammer)的《空间概念——物理学中空间理论的历史》作序时曾写到：“在企图把庞杂的观察数据作出系统的概念表述时，科学家用上了整个概念武库，这些概念实际上是同他的母亲的奶一道吮吸来的；他很难觉察到他的这些概念中始终有问题的特征。”(《爱因斯坦文集》第1卷，第586页)时空概念的变化对于物理学来说似乎是一个顺理成章的事，但对于人类认识的发展来说却是异乎寻常的。因此爱因斯坦认为：“为了科学，必须反反复复地批判这些基本概念，以免我们会不自觉地受它们支配。在传统的基本概念的贯彻使用碰到难以解决的矛盾而引起了观念发展的那些情况，这就变得特别明显。”(同上)也就是说，我们要认识到基本概念变化的可能性。
再次，虽然科学来源于哲学，但由于技术手段的差别和理论要求的不同，对同样问题的研究科学和哲学会有不同的进路，发展的程度也不相同。所以，不应将哲学的时空观与科学对时空的研究所形成的时空概念简单地等同，同时也要注意两者的联系，这样才能既合理地利用科学取得的成果，又不僵化思想。也就是说，我们要认识到基本概念演化在科学上的特殊性。
本文所描述的时空概念在内容、形式和地位上的变化，表明物理学是一个开放的事业，其对世界图景描述的任何基本概念都是可以批判的、可以改变的，而且任何改变都离不开哲学和科学的合作。
【参考文献】
[1]《爱因斯坦文集》，1983年，许良英等编译，商务印书馆。
[2]玻恩，1981年：《爱因斯坦的相对论》，河北人民出版社。
[3]牛顿，1996年：《自然哲学之数学原理宇宙体系》，武汉出版社。
[4]彭加勒，1988年：《科学的价值》，光明日报出版社。
[5]吴国盛，1994年：《希腊空间概念的发展》，四川教育出版社。
[6]许良英编，1990年：《科学思想史论集》，河北教育出版社。

❾ 研究物理时空学的有哪些机构或者学者或者是大学都行

时空问题一般属于物理系中天体物理、天文方向，涉及广义相对论，时空扭曲等问题，当前属于尖端冷门领域，需非常扎实的数理基础，一般高校是不开设的，也没有能力开设。本科阶段一般是学理论物理方向，研究生才确定研究天体物理。
国内比较有名气的是北大、南大、中科大，中科院紫金山天文台等。国外的话，加州理工（生活大爆炸上）搞这个的比较狂热，MIT、普林斯顿、伯克利、哈佛、剑桥（霍金在那里）等都有。——这是名气较大一些的，其它机构当然也很多。搜一搜“天体物理”“天文学”“空间物理”等词汇就知道了。

❿ 我是个学生，我对关于物理时空特别感兴趣，希望能提供基本入门书，就是关于时间轴，爱因斯坦相对论这类书

《图说相对论》（林为民）
《时间之箭》（彼得·柯文尼 罗杰·海菲尔德）
《费曼讲物理——相对论》（理查德·费曼）
《黑洞与时间弯曲》（基普·S·索恩）
《宇宙的琴弦》（B·格林）
如此高深的物理理论即便是尽量不用数学去尽可能浅显地解说，你也不能指望它们容易懂啊！否则，爱因斯坦等一大批顶级科学家的睿智岂非变得难以令人钦佩了吗？