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空間和時間 哲學上，空間和時間的依存關係表達着事物的演化秩序。 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」內涵是無盡永前；外延是各時刻順序或各有限時段長短的測量數值。 「空間」內涵是無界永在，外延是各有限部份空間相對位置或大小的測量數值。 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，相對於某一參照係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，運動的鐘相對於靜止的鐘變慢。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。

基本概念

空間和時間是指事物之間的一種次序。空間用以描述物體的位形；時間用以描述事件之間的順序。空間和時間的物理性質主要通過它們與物體運動的各種聯繫而表現出來。 在物理學中，對空間和時間的認識可以分為三個階段：經典力學階段、狹義相對論階段及廣義相對論階段。 在經典力學中，空間和時間的本性被認為是與任何物體及運動無關的，存在着絕對空間和絕對時間。牛頓在《自然哲學的數學原理》中說：「絕對空間，就其本性來說，與任何外在的情況無關。始終保持着相似和不變。」 ，「絕對的、純粹的數學的時間，就其本性來說，均勻地流逝而與任何外在的情況無關」。另一方面，物體的運動性質和規律，卻與採用怎樣的空間和時間來度量它有着密切的關係。相對於絕對空間的靜止或運動，才是絕對的靜止或運動。只有以絕對空間作為度量運動的參考系，或者以其他作絕對勻速運動的物體為參考系，慣性定律才成立。即不受外力作用的物體，或者保持靜止，或者保持勻速運動。這一類特殊的參考系，被稱為慣性參考系（慣性系）。 任何兩個不同的慣性系的空間和時間量之間滿足伽利略變換。在這種變換下，位置、速度是相對的，即相對於不同參考系其數值是不同的：長度、時間間隔是絕對的，即相對於不同參考系其數值是不變的，同時性也是絕對的。相對於某一慣性系同時發生的兩個事件，相對於其他的慣性系也必定是同時的。另外，牛頓力學規律在伽利略變換下保持形式不變，這一點符合伽利略相對性原理的要求。 正是這個相對性原理，構成了對牛頓的絕對空間概念的懷疑的起點。如果存在絕對空間，則物體相對於這個絕對空間的運動就應當是可以測量的。這相當於要求在某些運動定律中含有絕對速度。然而，相對性原理要求物體的運動規律中必定不含有絕對速度，亦即絕對速度在原則上是無法測定的。G.萊布尼茲、G.貝克萊、E.馬赫等先後都對絕對空間、時間觀念提出過有價值的異議，指出沒有證據能表明牛頓絕對空間的存在。 愛因斯坦推廣了上述的相對性原理，提出狹義相對論的相對性原理，即不但要求在不同慣性系中力學規律具有同樣形式，而且其他物理規律也應如此。在狹義相對論中，不同慣性系的空間和時間之間遵從洛倫茲變換。根據這種變換，同時性不再是絕對的，相對於某一參考係為同時發生的兩個事件，相對於另一參考系可能並不同時發生。在狹義相對論中，長度和時間間隔也變成相對量，運動的尺相對於靜止的尺變短，運動的鐘相對於靜止的鐘變慢，光速在狹義相對論中是絕對量，相對於任何慣性系光速都是C 。 空間和時間是共同描述質點運動的兩個基本物理量，其國際單位制（SI）量綱分別為：長度 L（米），符號m；時間 T（秒），符號s。描述運動要準確指出質點在參考系（坐標系）中出現的時間和位置。物理學確立了質點在四維時空（一維時間+三維空間）中的變化規律。

牛頓的時空觀

牛頓的絕對空間和絕對時間。通常，為確定一物體的大小，要知其形狀和尺寸。對於長方體，知其長、寬和高，利用歐幾里得幾何的公式就可計算其體積。為了確定一個可忽略大小的物體的位置，只要知道它相對於另一個可忽略大小的靜止參照物的上下、左右和前後距離，同樣利用歐幾里得幾何就足夠了。描述運動物體，瞬間位置還不夠，還需要知道瞬間的速度和加速度。由此，可抽象出三維空間坐標系和一維時間坐標的概念。物體的運動性質和規律，與採用怎樣的空間坐標系和時間坐標來度量有着密切的關係。相對於慣性參考系（慣性系），慣性定律才成立。為了確定慣性系，牛頓抽象出三維絕對空間和一維絕對時間的觀念。絕對空間滿足三維歐幾里得幾何，絕對時間均勻流逝，它們的本性是與在其中的任何具體物體及其運動無關的。相對於絕對空間的靜止或勻速直線運動的物體為參照物的坐標系，才是慣性系。 在經典力學中，任意一個物體對於不同的慣性坐標系的空間坐標量和時間坐標量之間滿足伽利略變換。在這組變換下，位置、速度是相對的；空間長度、時間間隔、運動物體的加速度是絕對的或不變的。時間測量中的同時性也是不變的：相對於某一個慣性系的兩個事件是否同時發生是不變的。相對於某一個慣性系同時發生的兩個事件，相對於其他慣性系也必定是同時的，稱為同時性的絕對性。牛頓力學的所有規律，包括萬有引力定律，在伽利略變換下其形式是不變的。這一點可以抽象為伽利略相對性原理：力學規律在慣性系的變換下形式不變。同時，不變性與守恆律密切相關。運動物體在伽利略變換下的時間平移不變性，對應於該物體的能量守恆；在伽利略變換下的空間平移和空間轉動不變性，對應於該物體的動量守恆和角動量守恆。 牛頓力學定律及其在伽利略變換下的不變性，促成對牛頓的絕對空間概念的懷疑。如果存在絕對空間，物體相對於絕對空間的運動就應當是可以測量的。這相當於要求某些力學運動定律中應含有絕對速度。但是，在牛頓力學規律中並不含絕對速度。換言之，牛頓力學定律的正確性，並不要求一定存在絕對空間。在牛頓提出絕對空間概念之後，先後有人對這種觀念提出異議。事實上，沒有有力的證據表明存在絕對空間。然而，隨着牛頓力學和萬有引力定律的極大成功，牛頓的絕對空間和絕對時間的概念，也一直在自然科學界和哲學界占據主導地位。 但是，在牛頓體系中無法建立簡單的宇宙圖像。一種簡單的宇宙圖像是：在無限大的絕對空間和無窮長的絕對時間中，無限多恆星或星系在其中大體靜止，平均光度大致均勻。然而，這種樸素的宇宙圖景，在萬有引力的作用下是不穩定的，而且連為什麼夜間天空是黑暗的這樣簡單的問題，都無法回答。 19世紀麥克斯韋總結出電磁學的基本規律——麥克斯韋方程組，這組方程中出現了光速C。隨後又發現了電磁波。受牛頓絕對空間和絕對時間觀念支配的物理學界，自然認為在絕對空間中充滿着光以太，麥克斯韋方程僅在相對於絕對空間靜止的慣性系中成立，電磁波是光以太的波動。這種觀念的必然推論是，在地球這個相對於絕對空間運動的系統中，麥克斯韋方程僅近似成立。電磁學或光學實驗應該能夠測量出地球相對於光以太的漂移速度。但是，所有這類實驗都得到否定的結果。這表明，忽略地球的非慣性運動的效應，麥克斯韋方程仍成立，並不存在以太漂移。這樣，牛頓的絕對空間和光以太觀念都受到了挑戰 。

相對論時空

20世紀初，愛因斯坦提出了狹義相對論，擴展了伽利略相對性原理，不僅要求力學規律在不同慣性參考系（慣性系）中具有同樣形式，而且要求其他物理規律在不同慣性系中也具有同樣的形式。愛因斯坦還假定在不同慣性參考系中單程光速C是不變的。據此，不同慣性系的空間坐標和時間坐標之間不再遵從伽利略變換，而是遵從非齊次洛倫茲變換。根據這類變換，尺的長度和時間間隔（即鐘的快慢）都不是不變的：高速運動的尺相對於靜止的尺變短，高速運動的鐘相對於靜止的鐘變慢。同時性也不再是不變的（或絕對的）：對某一個慣性系同時發生的兩個事件，對另一高速運動的慣性系就不是同時發生的。在狹義相對論中，光速是不變量，因而時間–空間間隔（簡稱時空間隔）亦是不變量；一些慣性系之間，除了對應於時間平移和空間平移不變性的能量守恆和動量守恆之外，還存在時間–空間平移不變性；因而，存在能量–動量守恆律。根據這一守恆律，可導出愛因斯坦質量–能量關係式。這個關係在原子物理與原子核物理中極為基本。 狹義相對論否定了19世紀光以太的存在，電磁波是電磁場自身的波動。這樣場就成為與實物有所不同的物質形式。同時，這也否定了牛頓的絕對空間和絕對時間，並通過光速不變原理把一維時間和三維空間聯繫起來，成為相互聯繫的四維時間–空間。H.閔可夫斯基首先發現了這一性質，因而稱為閔可夫斯基時空。四維閔可夫斯基時空的幾何是度規具有符號差的歐幾里得幾何，其不變群就是非齊次洛倫茲群。 狹義相對性原理要求所有的物理規律對於慣性系具有相同的形式。然而，把引力定律納入這一要求並不符合觀測事實。愛因斯坦進而提出描述引力作用的廣義相對論，再一次變革了物理學的時間–空間觀念。 按照廣義相對論，如果考慮到物體之間的慣性力或引力相互作用，就不存在大範圍的慣性系，只在任意時空點存在局部慣性系；不同時空點的局部慣性系之間，通過慣性力或引力相互聯繫。存在慣性力的時空仍然是平直的四維閔可夫斯基時空。存在引力場的時空，不再平直，是四維彎曲時空，其幾何性質由度規具有符號差的四維黎曼幾何描述。時空的彎曲程度由在其中物質（物體或場）及其運動的能量–動量張量，通過愛因斯坦引力場方程來確定。在廣義相對論中，時間–空間不再僅僅是物體或場運動的「舞台」，彎曲時間–空間本身就是引力場。表徵引力的時間–空間的性質與在其中運動的物體和場的性質是密切相關的。一方面，物體和場運動的能量–動量作為引力場的源，通過場方程確定引力場的強度，即時空的彎曲程度；另一方面，彎曲時空的幾何性質也決定在其中運動的物體和場的運動性質。如太陽作為引力場的源，其質量使得太陽所在的時空發生彎曲，其彎曲程度表徵太陽引力場的強度。最鄰近太陽的水星的運動軌跡受的影響最大，經過太陽邊緣的星光也會發生偏轉，等等。廣義相對論提出不久，天文觀測就表明，廣義相對論的理論計算與觀測結果是一致的。然而，20世紀中後期的研究表明，在物理上可以實現的條件下，廣義相對論的時間–空間必定存在難以接受的奇異性。在奇點處時間–空間亦即引力場完全失去意義，這是廣義相對論在理論上存在問題的表現 。

宇宙的演化

宇宙是一個演化的整體。對於空間和時間的認識，一直與對宇宙的認識密切相關。現代宇宙論以宇宙學原理和愛因斯坦引力場方程為基礎。宇宙學原理認為，宇宙作為一個整體，在時間上是演化的，即有時間箭頭，在空間上是均勻各向同性的。20世紀中期，提出的大爆炸宇宙模型，解釋了河外星系紅移，預言了宇宙微波背景輻射，對於宇宙的演化、星系的形成、輕元素的豐度等都能給出了基本上與天文觀測相一致的解釋，也解決了牛頓體系無法建立宇宙圖像的問題。可以說，宇宙作為一個演化的整體的認識是20世紀自然科學對於時間和空間的認識的一個重要成就和標誌。然而，前面提到的奇點，卻又處在宇宙大爆炸的起點或星系核或黑洞的中心，這就給宇宙起源、星系演化帶來新的問題 。

量子理論影響

[[]]量子理論對空間和時間理論的影響。20世紀初物理學從經典力學到量子理論的變革，對於空間和時間的觀念同樣引起了革命性的變化，也引起物理學界的窘迫。量子力學描述的系統的空間位置和動量、時間和能量無法同時精確測量，它們滿足不確定度關係；經典軌道不再有精確的意義等，如何理解量子力學以及有關測量的實質，一直存在爭論。20世紀末，關於量子糾纏、量子隱形傳輸、量子信息等的研究對於與時間–空間密切相關的因果性、定域性等重要概念，也帶來新的問題和挑戰。 量子力學與狹義相對論的結合導致的量子電動力學、量子場論、電弱統一模型，包括描述強作用的量子色動力學在內的標準模型，雖然取得很大成功，但也帶來一些挑戰性的疑難。在深刻改變着一些有關時間–空間的重要概念的同時，也帶來了一些原則問題。如真空不空、存在着零點能和真空漲落，大大改變了物理學對於真空的認識。在此基礎上，量子電動力學的微擾論計算可給出與實驗精密符合的結果，然而這個微擾展開卻是不合理的。對稱性破缺的機制使傳遞弱作用的中間玻色子獲得質量，然而黑格斯場的真空期望值和前面提到的零點能，在一定意義上相當於宇宙常數，其數值卻比天文觀測的宇宙學常數大了幾十到一百多個數量級。量子色動力學描述夸克和膠子之間的相互作用，但夸克和膠子卻被囚禁在強子內部，至今沒有發現自由的夸克和膠子，這個問題可能與真空的性質相關。 另一方面，量子理論預示，在10－33厘米、10－43秒這樣小的空間–時間尺度上，空間–時間的經典概念將不再適用。要解決這個問題，必須建立理論上自洽的量子引力理論，即量子時空理論。然而，量子理論和廣義相對論如何結合一直未解決。一個或許有希望的候選者是超弦理論或M理論。可是，在量子意義上自洽的超弦理論或M理論，只能在一維時間–九維空間或一維時間–十維空間上實現。這就引起一些深刻的問題：如何回到一維時間–三維空間。為何現實的空間是三維的，時間是一維的，或許宇宙僅僅是高維時空中的「一片」（可稱之為「膜」）。然而，從高維空間–時間回到四維空間–時間顯然有不止一種方法。那麼，在「膜」宇宙之外，是否可能存在其他的「膜」宇宙？在宇宙產生於大爆炸之前，是否還會有其他的階段等。這些問題的研究和解決，與暗物質、暗能量，以及宇宙常數等問題都有着密切的聯繫 。

宇稱的破壞

弱作用左右對稱性（宇稱）等的破壞。力學和電磁學規律對於把慣性參考系（慣性系）從左手系變為右手系是不變的，把時間反號也是不變的。這些稱為空間反演和時間反演不變的規律性與空間和時間的概念密切相關。同時，還存在與這些對稱性相聯繫的正反電荷對稱性。但在微觀粒子的弱相互作用中，空間反演不變、時間反演不變和正反電荷反演不變這類規律性不再成立。從20世紀中期李政道和楊振寧提出宇稱不守恆，並為實驗證實開始，物理學正逐步認識到這一點。不過，至今還不清楚更深刻的本質是什麼 。

暗能量

暗能量和宇宙常數疑難。20世紀90年代末以來，天文觀測有了很大的進展。已經確定，看不見的暗物質和與通常的能量完全不同的暗能量至少分別占據宇宙中總的物質和能量的兩成和七成以上；宇宙常數為正，約為10－52厘米－2。這樣，宇宙空間–時間就不再是漸近平坦的，而應該是漸近正的常曲率時空。但是，對於正的常曲率時空，不僅超弦或M理論具有原則上的困難，通常的量子場論、量子力學，乃至經典力學都會遇到困難。因為，在理論上還沒有公認的方式自洽地定義物理和力學的可觀測量。至於宇宙常數的數值為什麼這樣小，也是一大難題。 在歷史上任何一個階段，人類對於空間和時間的認識，都不是完備的、不存在問題的，只不過有些問題一時沒有發現而已。人類對於空間和時間的認識，正是這樣不斷地提出問題、解決問題，在實踐中不斷地深化着