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空间和时间 哲学上，空间和时间的依存关系表达着事物的演化秩序。 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”内涵是无尽永前；外延是各时刻顺序或各有限时段长短的测量数值。 “空间”内涵是无界永在，外延是各有限部份空间相对位置或大小的测量数值。 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。

基本概念

空间和时间是指事物之间的一种次序。空间用以描述物体的位形；时间用以描述事件之间的顺序。空间和时间的物理性质主要通过它们与物体运动的各种联系而表现出来。 在物理学中，对空间和时间的认识可以分为三个阶段：经典力学阶段、狭义相对论阶段及广义相对论阶段。 在经典力学中，空间和时间的本性被认为是与任何物体及运动无关的，存在着绝对空间和绝对时间。牛顿在《自然哲学的数学原理》中说：“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关。始终保持着相似和不变。” ，“绝对的、纯粹的数学的时间，就其本性来说，均匀地流逝而与任何外在的情况无关”。另一方面，物体的运动性质和规律，却与采用怎样的空间和时间来度量它有着密切的关系。相对于绝对空间的静止或运动，才是绝对的静止或运动。只有以绝对空间作为度量运动的参考系，或者以其他作绝对匀速运动的物体为参考系，惯性定律才成立。即不受外力作用的物体，或者保持静止，或者保持匀速运动。这一类特殊的参考系，被称为惯性参考系（惯性系）。 任何两个不同的惯性系的空间和时间量之间满足伽利略变换。在这种变换下，位置、速度是相对的，即相对于不同参考系其数值是不同的：长度、时间间隔是绝对的，即相对于不同参考系其数值是不变的，同时性也是绝对的。相对于某一惯性系同时发生的两个事件，相对于其他的惯性系也必定是同时的。另外，牛顿力学规律在伽利略变换下保持形式不变，这一点符合伽利略相对性原理的要求。 正是这个相对性原理，构成了对牛顿的绝对空间概念的怀疑的起点。如果存在绝对空间，则物体相对于这个绝对空间的运动就应当是可以测量的。这相当于要求在某些运动定律中含有绝对速度。然而，相对性原理要求物体的运动规律中必定不含有绝对速度，亦即绝对速度在原则上是无法测定的。G.莱布尼兹、G.贝克莱、E.马赫等先后都对绝对空间、时间观念提出过有价值的异议，指出没有证据能表明牛顿绝对空间的存在。 爱因斯坦推广了上述的相对性原理，提出狭义相对论的相对性原理，即不但要求在不同惯性系中力学规律具有同样形式，而且其他物理规律也应如此。在狭义相对论中，不同惯性系的空间和时间之间遵从洛伦兹变换。根据这种变换，同时性不再是绝对的，相对于某一参考系为同时发生的两个事件，相对于另一参考系可能并不同时发生。在狭义相对论中，长度和时间间隔也变成相对量，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，相对于任何惯性系光速都是C 。 空间和时间是共同描述质点运动的两个基本物理量，其国际单位制（SI）量纲分别为：长度 L（米），符号m；时间 T（秒），符号s。描述运动要准确指出质点在参考系（坐标系）中出现的时间和位置。物理学确立了质点在四维时空（一维时间+三维空间）中的变化规律。

牛顿的时空观

牛顿的绝对空间和绝对时间。通常，为确定一物体的大小，要知其形状和尺寸。对于长方体，知其长、宽和高，利用欧几里得几何的公式就可计算其体积。为了确定一个可忽略大小的物体的位置，只要知道它相对于另一个可忽略大小的静止参照物的上下、左右和前后距离，同样利用欧几里得几何就足够了。描述运动物体，瞬间位置还不够，还需要知道瞬间的速度和加速度。由此，可抽象出三维空间坐标系和一维时间坐标的概念。物体的运动性质和规律，与采用怎样的空间坐标系和时间坐标来度量有着密切的关系。相对于惯性参考系（惯性系），惯性定律才成立。为了确定惯性系，牛顿抽象出三维绝对空间和一维绝对时间的观念。绝对空间满足三维欧几里得几何，绝对时间均匀流逝，它们的本性是与在其中的任何具体物体及其运动无关的。相对于绝对空间的静止或匀速直线运动的物体为参照物的坐标系，才是惯性系。 在经典力学中，任意一个物体对于不同的惯性坐标系的空间坐标量和时间坐标量之间满足伽利略变换。在这组变换下，位置、速度是相对的；空间长度、时间间隔、运动物体的加速度是绝对的或不变的。时间测量中的同时性也是不变的：相对于某一个惯性系的两个事件是否同时发生是不变的。相对于某一个惯性系同时发生的两个事件，相对于其他惯性系也必定是同时的，称为同时性的绝对性。牛顿力学的所有规律，包括万有引力定律，在伽利略变换下其形式是不变的。这一点可以抽象为伽利略相对性原理：力学规律在惯性系的变换下形式不变。同时，不变性与守恒律密切相关。运动物体在伽利略变换下的时间平移不变性，对应于该物体的能量守恒；在伽利略变换下的空间平移和空间转动不变性，对应于该物体的动量守恒和角动量守恒。 牛顿力学定律及其在伽利略变换下的不变性，促成对牛顿的绝对空间概念的怀疑。如果存在绝对空间，物体相对于绝对空间的运动就应当是可以测量的。这相当于要求某些力学运动定律中应含有绝对速度。但是，在牛顿力学规律中并不含绝对速度。换言之，牛顿力学定律的正确性，并不要求一定存在绝对空间。在牛顿提出绝对空间概念之后，先后有人对这种观念提出异议。事实上，没有有力的证据表明存在绝对空间。然而，随着牛顿力学和万有引力定律的极大成功，牛顿的绝对空间和绝对时间的概念，也一直在自然科学界和哲学界占据主导地位。 但是，在牛顿体系中无法建立简单的宇宙图像。一种简单的宇宙图像是：在无限大的绝对空间和无穷长的绝对时间中，无限多恒星或星系在其中大体静止，平均光度大致均匀。然而，这种朴素的宇宙图景，在万有引力的作用下是不稳定的，而且连为什么夜间天空是黑暗的这样简单的问题，都无法回答。 19世纪麦克斯韦总结出电磁学的基本规律——麦克斯韦方程组，这组方程中出现了光速C。随后又发现了电磁波。受牛顿绝对空间和绝对时间观念支配的物理学界，自然认为在绝对空间中充满着光以太，麦克斯韦方程仅在相对于绝对空间静止的惯性系中成立，电磁波是光以太的波动。这种观念的必然推论是，在地球这个相对于绝对空间运动的系统中，麦克斯韦方程仅近似成立。电磁学或光学实验应该能够测量出地球相对于光以太的漂移速度。但是，所有这类实验都得到否定的结果。这表明，忽略地球的非惯性运动的效应，麦克斯韦方程仍成立，并不存在以太漂移。这样，牛顿的绝对空间和光以太观念都受到了挑战 。

相对论时空

20世纪初，爱因斯坦提出了狭义相对论，扩展了伽利略相对性原理，不仅要求力学规律在不同惯性参考系（惯性系）中具有同样形式，而且要求其他物理规律在不同惯性系中也具有同样的形式。爱因斯坦还假定在不同惯性参考系中单程光速C是不变的。据此，不同惯性系的空间坐标和时间坐标之间不再遵从伽利略变换，而是遵从非齐次洛伦兹变换。根据这类变换，尺的长度和时间间隔（即钟的快慢）都不是不变的：高速运动的尺相对于静止的尺变短，高速运动的钟相对于静止的钟变慢。同时性也不再是不变的（或绝对的）：对某一个惯性系同时发生的两个事件，对另一高速运动的惯性系就不是同时发生的。在狭义相对论中，光速是不变量，因而时间–空间间隔（简称时空间隔）亦是不变量；一些惯性系之间，除了对应于时间平移和空间平移不变性的能量守恒和动量守恒之外，还存在时间–空间平移不变性；因而，存在能量–动量守恒律。根据这一守恒律，可导出爱因斯坦质量–能量关系式。这个关系在原子物理与原子核物理中极为基本。 狭义相对论否定了19世纪光以太的存在，电磁波是电磁场自身的波动。这样场就成为与实物有所不同的物质形式。同时，这也否定了牛顿的绝对空间和绝对时间，并通过光速不变原理把一维时间和三维空间联系起来，成为相互联系的四维时间–空间。H.闵可夫斯基首先发现了这一性质，因而称为闵可夫斯基时空。四维闵可夫斯基时空的几何是度规具有符号差的欧几里得几何，其不变群就是非齐次洛伦兹群。 狭义相对性原理要求所有的物理规律对于惯性系具有相同的形式。然而，把引力定律纳入这一要求并不符合观测事实。爱因斯坦进而提出描述引力作用的广义相对论，再一次变革了物理学的时间–空间观念。 按照广义相对论，如果考虑到物体之间的惯性力或引力相互作用，就不存在大范围的惯性系，只在任意时空点存在局部惯性系；不同时空点的局部惯性系之间，通过惯性力或引力相互联系。存在惯性力的时空仍然是平直的四维闵可夫斯基时空。存在引力场的时空，不再平直，是四维弯曲时空，其几何性质由度规具有符号差的四维黎曼几何描述。时空的弯曲程度由在其中物质（物体或场）及其运动的能量–动量张量，通过爱因斯坦引力场方程来确定。在广义相对论中，时间–空间不再仅仅是物体或场运动的“舞台”，弯曲时间–空间本身就是引力场。表征引力的时间–空间的性质与在其中运动的物体和场的性质是密切相关的。一方面，物体和场运动的能量–动量作为引力场的源，通过场方程确定引力场的强度，即时空的弯曲程度；另一方面，弯曲时空的几何性质也决定在其中运动的物体和场的运动性质。如太阳作为引力场的源，其质量使得太阳所在的时空发生弯曲，其弯曲程度表征太阳引力场的强度。最邻近太阳的水星的运动轨迹受的影响最大，经过太阳边缘的星光也会发生偏转，等等。广义相对论提出不久，天文观测就表明，广义相对论的理论计算与观测结果是一致的。然而，20世纪中后期的研究表明，在物理上可以实现的条件下，广义相对论的时间–空间必定存在难以接受的奇异性。在奇点处时间–空间亦即引力场完全失去意义，这是广义相对论在理论上存在问题的表现 。

宇宙的演化

宇宙是一个演化的整体。对于空间和时间的认识，一直与对宇宙的认识密切相关。现代宇宙论以宇宙学原理和爱因斯坦引力场方程为基础。宇宙学原理认为，宇宙作为一个整体，在时间上是演化的，即有时间箭头，在空间上是均匀各向同性的。20世纪中期，提出的大爆炸宇宙模型，解释了河外星系红移，预言了宇宙微波背景辐射，对于宇宙的演化、星系的形成、轻元素的丰度等都能给出了基本上与天文观测相一致的解释，也解决了牛顿体系无法建立宇宙图像的问题。可以说，宇宙作为一个演化的整体的认识是20世纪自然科学对于时间和空间的认识的一个重要成就和标志。然而，前面提到的奇点，却又处在宇宙大爆炸的起点或星系核或黑洞的中心，这就给宇宙起源、星系演化带来新的问题 。

量子理论影响

[[]]量子理论对空间和时间理论的影响。20世纪初物理学从经典力学到量子理论的变革，对于空间和时间的观念同样引起了革命性的变化，也引起物理学界的窘迫。量子力学描述的系统的空间位置和动量、时间和能量无法同时精确测量，它们满足不确定度关系；经典轨道不再有精确的意义等，如何理解量子力学以及有关测量的实质，一直存在争论。20世纪末，关于量子纠缠、量子隐形传输、量子信息等的研究对于与时间–空间密切相关的因果性、定域性等重要概念，也带来新的问题和挑战。 量子力学与狭义相对论的结合导致的量子电动力学、量子场论、电弱统一模型，包括描述强作用的量子色动力学在内的标准模型，虽然取得很大成功，但也带来一些挑战性的疑难。在深刻改变着一些有关时间–空间的重要概念的同时，也带来了一些原则问题。如真空不空、存在着零点能和真空涨落，大大改变了物理学对于真空的认识。在此基础上，量子电动力学的微扰论计算可给出与实验精密符合的结果，然而这个微扰展开却是不合理的。对称性破缺的机制使传递弱作用的中间玻色子获得质量，然而黑格斯场的真空期望值和前面提到的零点能，在一定意义上相当于宇宙常数，其数值却比天文观测的宇宙学常数大了几十到一百多个数量级。量子色动力学描述夸克和胶子之间的相互作用，但夸克和胶子却被囚禁在强子内部，至今没有发现自由的夸克和胶子，这个问题可能与真空的性质相关。 另一方面，量子理论预示，在10－33厘米、10－43秒这样小的空间–时间尺度上，空间–时间的经典概念将不再适用。要解决这个问题，必须建立理论上自洽的量子引力理论，即量子时空理论。然而，量子理论和广义相对论如何结合一直未解决。一个或许有希望的候选者是超弦理论或M理论。可是，在量子意义上自洽的超弦理论或M理论，只能在一维时间–九维空间或一维时间–十维空间上实现。这就引起一些深刻的问题：如何回到一维时间–三维空间。为何现实的空间是三维的，时间是一维的，或许宇宙仅仅是高维时空中的“一片”（可称之为“膜”）。然而，从高维空间–时间回到四维空间–时间显然有不止一种方法。那么，在“膜”宇宙之外，是否可能存在其他的“膜”宇宙？在宇宙产生于大爆炸之前，是否还会有其他的阶段等。这些问题的研究和解决，与暗物质、暗能量，以及宇宙常数等问题都有着密切的联系 。

宇称的破坏

弱作用左右对称性（宇称）等的破坏。力学和电磁学规律对于把惯性参考系（惯性系）从左手系变为右手系是不变的，把时间反号也是不变的。这些称为空间反演和时间反演不变的规律性与空间和时间的概念密切相关。同时，还存在与这些对称性相联系的正反电荷对称性。但在微观粒子的弱相互作用中，空间反演不变、时间反演不变和正反电荷反演不变这类规律性不再成立。从20世纪中期李政道和杨振宁提出宇称不守恒，并为实验证实开始，物理学正逐步认识到这一点。不过，至今还不清楚更深刻的本质是什么 。

暗能量

暗能量和宇宙常数疑难。20世纪90年代末以来，天文观测有了很大的进展。已经确定，看不见的暗物质和与通常的能量完全不同的暗能量至少分别占据宇宙中总的物质和能量的两成和七成以上；宇宙常数为正，约为10－52厘米－2。这样，宇宙空间–时间就不再是渐近平坦的，而应该是渐近正的常曲率时空。但是，对于正的常曲率时空，不仅超弦或M理论具有原则上的困难，通常的量子场论、量子力学，乃至经典力学都会遇到困难。因为，在理论上还没有公认的方式自洽地定义物理和力学的可观测量。至于宇宙常数的数值为什么这样小，也是一大难题。 在历史上任何一个阶段，人类对于空间和时间的认识，都不是完备的、不存在问题的，只不过有些问题一时没有发现而已。人类对于空间和时间的认识，正是这样不断地提出问题、解决问题，在实践中不断地深化着