時空（時間-空間，時間和空間）是一種基本概念，分別屬于物理學(xué)、天文學(xué)、空間物理學(xué)和哲學(xué)。并且也是這幾個學(xué)科最重要的最基本的概念之一。

空間在力學(xué)和物理學(xué)上，是描述物體以及其運動的位置、形狀和方向等抽象概念；而時間則是描述運動之持續(xù)性，事件發(fā)生之順序等。時空的特性，主要就是通過物體，其運動以及與其他物體的相互作用之間的各種關(guān)系之匯總。^[1]

時間和空間是人類文明最為古老的概念之一。可追溯至遠古時期，人類的耕作、放牧等日常勞動都需要測量土地、順天時，這就產(chǎn)生了最基礎(chǔ)的時空概念以及度量方法。古代就有“上下四方謂之宇，往古來今謂之宙”的說法。這里的“宇宙”也就是時空的理念。這也就是誕生了最原始的一維時間和三維空間，并發(fā)展同宇宙產(chǎn)生聯(lián)系。^[2][3]

近代科學(xué)，無處不涉及時空的概念和測量方法，特別是文藝復(fù)興以來，經(jīng)典力學(xué)、物理學(xué)和天文學(xué)在對時空的認知上基本可以分為兩條不同但相交的線索：

• 其一，以牛頓和麥克斯韋的重要理論——經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電磁學(xué)為代表的時間-空間概念，經(jīng)歷愛因斯坦的狹義、廣義相對論，再到現(xiàn)代宇宙論。

• 其二，從牛頓力學(xué)經(jīng)過量子理論、量子力學(xué)以及量子場理論，再到量子引力、超弦或M理論。

但物理學(xué)對于時空的認識還存在不少基本問題尚待解決，還需要進一步完善和發(fā)展。^[1][4]

牛頓的絕對時空概念編輯

絕對時空編輯

利用歐幾里得幾何，測量出長方體的長、寬和高，便能算出其體積。也即是選擇一個可以忽略大小的靜止的參照物，只要得知需要計算物體與其的上下、左右和前后距離，就可以利用歐幾里得幾何計算出。

在描述運動上，需要得知瞬時的速度、加速度和所處位置，這就抽象出一維時間和三維空間的坐標系概念。所以要描述物體的運動，就需要選擇一個可供參考的坐標系，為此，艾薩克·牛頓就創(chuàng)造出四維絕對時空的概念，絕對時間均勻流逝，絕對空間符合三維歐幾里得幾何。絕對時空的本性與任何具體物體以及運動狀態(tài)無關(guān)。選擇相對于絕對空間的靜止或勻速直線運動為參照所得出坐標，就是慣性參考系。^[1]

伽利略相對性編輯

在經(jīng)典力學(xué)中，任意一個物體對于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。在此之下，物體的位置和速度都是相對的；而空間位移，時間間隔以及加速度卻是絕對不變的。因為絕對時間的同時性不變，所以相對于同一個慣性參照系的兩個事件同時發(fā)生與否也是不變的。而兩個同時發(fā)生的事件在其他慣性參照系下也是同時的，這就是絕對同時性。牛頓力學(xué)的所有規(guī)律（包括萬有引力定律）在內(nèi)，在伽利略變換下也都是不變的，這即是伽利略相對性原理。

同時，不變性與守恒定律也有著很高相關(guān)度。運動狀態(tài)在伽利略變換下的時間平移不變性就對應(yīng)了物體的能量守恒；而空間平移不變性也就與動量守恒相關(guān)聯(lián)，以及空間轉(zhuǎn)動不變性更對應(yīng)了角動量守恒。上述的不變性，就使得絕對時空概念受到了質(zhì)疑。

這是顯而易見的，因為物體在絕對空間中的運動是可以觀測的，這就有力學(xué)運動定律中需要有絕對速度這個概念，但牛頓力學(xué)中卻沒有絕對速度一說。即，牛頓力學(xué)定律的正確性并不要求存在絕對空間。

雖然不斷有人對牛頓的絕對空間概念提出異議，并且實際上也沒有存在絕對時空的證據(jù)。但是牛頓力學(xué)和萬有引力等規(guī)律是這樣的成功，以至于牛頓的絕對時空的理念，也一直主導(dǎo)著當(dāng)時的自然科學(xué)和哲學(xué)界。^[1]

致命的問題編輯

牛頓體系無法描述一個簡單的宇宙圖像。可以近似描述的宇宙圖像是這樣的，在無窮長和無限大的絕對時空中，無數(shù)多的星體大致上是靜止的，而且平均光度也是均勻的。然而萬有引力卻讓這個宇宙極為不穩(wěn)定，甚至無法解答夜晚的天空為什么是黑的。^[1]

馬克士威方程組編輯

19世紀的物理學(xué)有一個重大成就，那就是詹姆斯·克拉克·馬克士威總結(jié)前人的電磁學(xué)理論，得出來的馬克士威方程組，這里面出現(xiàn)了光速c，而后又發(fā)現(xiàn)電磁波。

但是依舊受到牛頓的絕對時空概念所支配的物理學(xué)家們，自然也認為存在光以太這種物質(zhì)。所以，馬克士威方程組僅僅只是在絕對空間的慣性參考系中成立，與此類似，電磁波也只是光以太的波動現(xiàn)象而已。^[1]

愛因斯坦的相對時空觀念編輯

狹義相對論編輯

就在物理學(xué)家認為物理的“大廈”即將完工時，兩朵“烏云”卻讓整個物理體系動搖，更讓人類對時空的認識發(fā)生了巨大的改變。

阿爾伯特·愛因斯坦在1905年提出的狹義相對論，拓展了伽利略相對性原理，使得包括力學(xué)和電磁學(xué)在內(nèi)的所有物理定律在不同慣性參照系也要具有相同的形式。

但，當(dāng)時的愛因斯坦還假定慣性參考系中單程光速C是不變的。據(jù)此，不同慣性系的時間-空間坐標之間不再遵從伽利略變換，而是遵從洛倫茲變換。

據(jù)此，時間間隔（鐘的走動）和空間長度（尺子的長）都成變化的，而且相對于“靜止的”而言，越是高速運動，時鐘就越是變慢，尺子就越是變短。至此，絕對的同時性不存在，也就是說，在一個參照系中同時發(fā)生的兩個事件，在另一個高速運動的參照系就不再是同時發(fā)生了。

狹義相對論中，因為光速是定量，所以時間-空間間隔（時空間隔）就成了不變量。因此，一些慣性系之間，除了對應(yīng)于時間和空間平移的不變性之能量和動量守恒以外，還存在時空平移不變性。理所當(dāng)然的，根據(jù)能量和動量守恒定律，愛因斯坦推導(dǎo)出他的質(zhì)量-能量關(guān)系式（即是眾所周知的）。這個是原子物理中最為基本的。^[1]

閔可夫斯基時空編輯

狹義相對論不僅判定光以太不存在，它確定電磁波是一種波動，就得出場是一種與“實實在在”的物體不一樣的物質(zhì)。也判定牛頓的絕對時空不存在，并將一維時間和三維空間聯(lián)系在一起，組成四維時空。赫爾曼·閔可夫斯基最先發(fā)現(xiàn)這一點，即閔可夫斯基時空。而由此所產(chǎn)生的幾何也成為具有度規(guī)張量的歐幾里得幾何，其符合洛倫茲協(xié)變性，也就是閔可夫斯基度規(guī)。^[1]

廣義相對論編輯

但狹義相對論也有一個缺陷，它無法讓引力定律滿足任何參照系都具有同樣形式。就此，愛因斯坦提出廣義相對論。 依據(jù)廣義相對論，在宇宙中就不存在大范圍的慣性參照系，而是只在任意時空點存在局部的慣性系，而不同的慣性系之間就通過慣性力或引力讓其相互聯(lián)系。

就此，慣性力的時空仍然是平直的四維閔克夫斯基時空，反之，引力的時空就是彎曲的四維時空。要描述這樣的四維時空，只能用黎曼幾何來描述。而要想得知時空的彎曲程度，需要知道物質(zhì)及其能量-動量張量，再通過愛因斯坦引力場方程來確定。

此時，時空不再是物質(zhì)（物體或者場）的“運動場”，彎曲的時空就是引力場，其性質(zhì)與在其中運動的物質(zhì)之性質(zhì)存在關(guān)聯(lián)。

所以，其一，物質(zhì)的運動所產(chǎn)生的能量-動量作為引力場的源頭，通過場方程確定引力場的強度，即時空的彎曲度；其二，彎曲時空的幾何特性也同樣決定著物質(zhì)運動的性質(zhì)。

例如在太陽系中，太陽作為這個引力場的源頭，它的質(zhì)量使得整個太陽系的時空發(fā)生彎曲。而越靠近太陽，其運動性質(zhì)受到影響就越大。所以，水星的運動軌跡就受到太陽的影響。而其他恒星所發(fā)出的光線在經(jīng)過太陽邊緣時也發(fā)生了偏轉(zhuǎn)等。實際觀測也證明了廣義相對論的正確。

但廣義相對論也存在著挑戰(zhàn)，20世紀中期的研究表明，就是在特定的條件下，廣義相對論會讓時空出現(xiàn)“奇點”。在奇點處會讓引力場失去意義。^[1][5][6]

宇宙之演化中的整體性編輯

人類對時空認識一直都與宇宙密切相關(guān)，而宇宙學(xué)原理和愛因斯坦引力場方程就是現(xiàn)代認識宇宙的基礎(chǔ)。宇宙學(xué)原理認定宇宙是一個整體的，它在時間上是不斷變化的，即時間箭頭，而在空間上卻是均勻的。

20世紀中期，宇宙大爆炸的模型成功的解釋了河外星系紅移，也解釋了夜晚的天空是黑色的，這就是宇宙微波背景輻射。計算預(yù)測出的宇宙的演化、星系的形成、輕元素的豐度等在天文觀測上也是大體一致的。便解決牛頓體系沒有給出宇宙圖像的問題。

雖然認識到宇宙是在演化中的一個整體，但是，那個奇點卻處在宇宙大爆炸的起始、星系或黑洞的中心。^[1]

量子理論對時空的影響編輯

量子理論編輯

物理學(xué)從牛頓的經(jīng)典力學(xué)到20世紀初的量子理論，對人類認識時空也起著劇烈的變化，更引發(fā)物理學(xué)的震蕩。

量子力學(xué)描述了這樣一個事實，也就是系統(tǒng)的空間位置與動量無法同時精確測量，同樣的，時間與能量之間也是如此。他們滿足不確定性原理；經(jīng)典軌道在此刻也不再有精確的意義，如何理解量子力學(xué)以及有關(guān)測量的實質(zhì)，一直處于爭論中。但在20世紀末，有關(guān)量子的幾個重要發(fā)現(xiàn)更是引發(fā)新的疑慮，這就是量子糾纏、量子隱形傳態(tài)、量子信息等，在對其研究表明了時空亦有因果性和定域性。^[1]

真空編輯

量子力學(xué)與狹義相對論結(jié)合產(chǎn)生出量子電動力學(xué)、量子場論以及電弱統(tǒng)一模型、強作用下的量子色動力學(xué)等標準模型。即使巨大的成功也無法掩蓋其中所隱含的原則問題。比如真空與否，存在著零點能以及真空漲落等，讓人們對什么是真正的“真空”產(chǎn)生了新的認識。

以上述為基礎(chǔ)的產(chǎn)生以下幾個憂慮：量子電動力學(xué)的微擾論計算可給出與實驗精密符合的結(jié)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(zhì)量，然而黑格斯場的真空期望值和前面提到的零點能（相當(dāng)于宇宙常數(shù)），其數(shù)值卻比實際觀測到的宇宙常數(shù)更大，而且還是驚人的，上百個數(shù)量級。

而量子色動力學(xué)描述夸克和膠子之間的互相作用，但是被禁閉在強子內(nèi)的夸克和膠子如何才能獲得自由，這個問題卻是物理學(xué)的疑點。

再者，量子論預(yù)言到，在厘米和秒這樣小的時空尺度上，時空的經(jīng)典概念將不再適用。為解決這個難題，就須要在理論上建立自洽的量子引力理論，即是量子時空理論。然而，量子理論和廣義相對論如何結(jié)合一直沒有解決。

一個可能的解決方法就是超弦理論或M理論。然而，這個理論卻只有在一維時間-九維空間或一維時間-十維空間上實現(xiàn)。

這里又出現(xiàn)了問題，尖銳的矛盾，如何將高維時空應(yīng)用在低維時空上，也就是人類所熟知的四維時空觀。人們所認知得時空是四維的，也就是說“宇宙”或許就是高維時空中的“一個泡沫”（通常稱為“膜”）。

從高維時空回到四維時空顯然有很多種方法。那么，在“膜”宇宙以外，是否可能存在其他的“膜”宇宙？在產(chǎn)生宇宙大爆炸之前，是否還會有其他的階段等。這些問題，或許與暗物質(zhì)、暗能量，以及宇宙常數(shù)等問題都有著密切的聯(lián)系。^[1]

弱作用左右對稱性等的破壞編輯

力學(xué)與電磁學(xué)規(guī)律把慣性系從左手系變?yōu)橛沂窒凳遣粫兊?，同樣時間反轉(zhuǎn)亦是不變的。這就是說把時空反演不變的規(guī)律與時空本身存在密切關(guān)聯(lián)。

同時，還存在與這些對稱性相聯(lián)系的正反電荷對稱性。但是在微觀狀態(tài)下，在弱作用當(dāng)中，時空反演不變與正反電荷反演不變這類規(guī)律不成立。這就是20世紀中期李政道和楊振寧提出宇稱不守恒。這也得到實驗的驗證，不過其中的更為深刻的本質(zhì)尚待物理學(xué)家研究。^[1]

暗能量和宇宙常數(shù)編輯

20世紀末，天文學(xué)的重大進展，特別是太空觀測的拓展，讓更多“隱藏”的物體都顯露出來。經(jīng)過測算基本確定，人類目前還看不見的暗物質(zhì)占據(jù)宇宙總物質(zhì)20%以上，與此類似，與通常的能量完全不同的暗能量占據(jù)宇宙中總能量70%，且宇宙常數(shù)為正，約為。^[7]

這樣的宇宙時空就不會是平坦的，而是呈現(xiàn)出正的常曲率時空。但這個正的常曲率時空，不僅僅在超弦理論或M理論上有著原則性的差別，就連通常意義的量子場論、量子力學(xué)，更甚至連經(jīng)典力學(xué)也都出現(xiàn)了疑難。這是因為在理論上沒有一個可公認的方法自洽地定義物理上的可觀測量。而且宇宙常數(shù)為什么這樣小，也是一大難題。^[1]