物理学的时空演绎，本文主要内容关键词为：物理学论文,时空论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
科学上的重大变革往往伴随着新时空观的产生。甚至在一定意义下可以反过来说，时空观的变革才是科学上大变革的基本标志。
一、牛顿力学的绝对时空观
所谓时空观就是关于时间和空间物理性质的认识。牛顿关于绝对空间和时间的定义：“绝对空间，就其性质来说与此外的任何事物无关，总是相似的、不可移动的……绝对、真实及数学的时间本身，从其性质来说，均匀流逝与此外的任何事物无关，……”[1]
伽利略、牛顿根据他们对时间、空间的认识，建立了各惯性系间的时空变换关系，即伽利略变换，绝对时空观就包含在其中。在牛顿的绝对时空观中：空间、时间和外在情况这三者是相互独立的、无关的；空间的平直延伸和不同地点时间的均匀流逝是绝对的；时间的量度和空间的量度是彼此分离的；时间间隔的测量和空间间隔的测量与测量者的运动状态无关，也就是与参考系的选择无关；同一物体不管它相对于观察者作何运动，我们测量到的它的长度都是相同的；任意两事件发生的时间间隔在不同的参考系中测量也都是相同的，对于甲来说是同时发生的事件，对于相对于甲运动的乙来说，也必定是同时发生的。这样的认识，同我们日常的生活经验是一致的。
牛顿力学的困难 根据牛顿的绝对时空观，人们认为应能找到一个绝对的参考系，但迈克尔逊—莫雷实验的“零漂移”说明：没有绝对参考系，光在真空中的速率
是一个与参考系无关的普适常量。赫兹在1886年的实验也证实了这一点。爱因斯坦坚信电磁学理论是正确的，修改了牛顿定律及绝对时空观，提出了狭义相对性原理、光速不变原理和狭义相对论时空观。
二、爱因斯坦的狭义相对论时空观
时间是相对的，长度是相对的。(1)“同时”的相对性：在一个参考系中同时发生的事件在另一参考系中观察并不同时发生。(2)洛伦兹收缩：物体沿运动方向的长度比其固有长度短。(3)爱因斯坦延缓：惯性系中运动的钟比静止的钟走得慢。
从狭义相对性原理和光速不变原理出发，就可以推得新的各惯性系间的时空变换关系，即洛仑兹变换。它与伽利略变换的区别在于：时间坐标和空间坐标相互联系，并与物体运动有关。在低速情况下，
，洛仑兹变换可退化为伽利略变换。
爱因斯坦狭义相对论的两条基本原理人们很容易接受。但他们的推论—狭义相对论时空观却改变了牛顿以来物理学的根基。在爱因斯坦以前，人们的时空观是以牛顿为代表的一种绝对时空观。在那里同时性、时间间隔的测量、空间间隔的测量等都是绝对的。然而如上所述在爱因斯坦的狭义相对论当中一切都变得相对了。
狭义相对性原理的困难与爱因斯坦的解决方法(1)万有引力定律不具备洛伦兹协变性——将引力几何化。(2)惯性力的本质问题——将引力和惯性力视为等同。(3)惯性系的定义问题——不存在引力的参考系就是惯性系。
爱因斯坦的思路是：观测一致、和谐统一，所有参考系均应平权，物理规律应在一切参考系中具有相同的形式。据此他提出了广义相对性原理和等效原理，并运用黎曼几何，建立了引力场方程，给出了一系列使人惊心动魄的结果。
三、爱因斯坦的广义相对论时空观
1.等效原理的推论[2]
如图1(a)所示，质量为m的宇宙飞船从O'点（在那里星球M的引力几乎不存在）开始在星球M的引力场中自由降落。经一定时间它到达距球心为r的地方P'点，此飞船是个局域惯性系，称为k系。对于星球M的参考系，可以有两种彼此等效的看法：(1)它是个相对于惯性系k向上作加速运动的非惯性系k'，如图1(b)所示，“引力”不过是其中惯性力的表现而已；(2)k'系是个有引力场的静止参考系。由观点(1)知：开始时星球和飞船的时空间隔是一样的，当它加速运动到飞船附近时，它的相对速度是v，从而自k系观测，k'系中发生了爱因斯坦延缓和洛伦兹收缩：
由观点(2)知：k'系是有引力场的静止参考系，按照等效原理，(2)式中的dt、dr应理解为无穷远无引力地方的时、空间隔，而dt'、dr'是引力场中的固有时、空间隔。该式意味着，在引力场中发生的物理过程，在远处观察，其时间节奏比当地的固有时间慢，其空间距离比当地的固有长度短。把这两个效应结合起来，就会得到这样的结论：从远处观测，引力场中的光速变慢了。由在星球的引力场中时缓尺缩、光速变慢，可推论出光线经过星球表面附近时会发生弯曲，即存在引力场的时空空间是弯曲的。这就是说：贯穿宇宙的电磁波不仅建立了物体之间普遍的物质联系，而且从某种意义上还决定着世界的几何性质。引力场加在电磁背景上，就破坏了时间和空间的一致性和各向同性，并且使时间和空间具有某种“曲率”[3]。
2.黑洞
(2)广义相对论的描述。由(2)式可以看出：它们在
处有个奇点，使时间膨胀趋向无穷大、尺缩到零（施瓦氏半径处逃逸速度也是光速），时空弯曲到最大限度。由于此处的空间受到了极大的弯曲，将出现一个无底洞，在这个洞边上有一个单向壁，它的半径就是施瓦氏半径，任何物体跨过此单向壁后，只能越陷越深，永远出不来。所以在它所规定的疆界以内，任何物体，即使是最亮的星体，从宇宙的其他部分看来，也像消失了一样；但它的引力继续作用在施瓦氏半径以外的物体上，或者用广义相对论的说法，其内部的物质继续引起外部的时空弯曲。1969年美国人惠勒称这种看不见的星为黑洞[4]（图2）。黑洞是包在视界（施瓦氏半径所规定的界面）里的一个奇点，视界内部物质被引力挤压到一个奇点内，密度和时空曲率都是无穷大。
图2
此现象广义相对论与牛顿力学的差别被放大到了极点：牛顿力学认为万有引力是真正的力，黑洞是因为引力太大，光子逃不出去而形成的；广义相对论认为万有引力不是真正的力，是时空弯曲的表现，黑洞是由于时空弯曲得太厉害，光子逃不出去而形成的。
施瓦氏半径处的奇异性意味着什么呢？设想有一个宇航员乘飞船从外部驶向引力中心，并在
以外没有遇到天体的表面，远离引力中心的观察者看到：宇航员所携带的钟走得愈来愈慢；无限接近施瓦氏半径时，钟停顿下来，他的时间凝固了，他永远也到不了
的地方；与此同时，飞船发回的光红移量也越来越大，甚至趋于无穷而消失。然而宇航员（如果他安然无恙的话）自己的感觉完全是另一回事：他看到飞船里的钟正常地走着；向来的方向看去，远处的一切变化都在加速；在预定的时间内穿过施瓦氏半径所规定的边界，什么特别的感觉也没有；但当他越过此边界后就再也无法返回家乡了，也无法再和家人通讯，因为在那里逃逸速度超过了光速，任何物体都逃不出去；如果存在“霍金辐射”[4]他也许能发一个“短信”。
四、爱因斯坦的宇宙观与现代宇宙学
按照牛顿的理论，物质充满整个宇宙，那么无限远处的引力就不会为零。而我们知道在讨论局部天体运动时，总要选取一个参考系，使无限远处引力场为零。这个无限远处的条件已成为解决局部天体运动必不可少的条件。这样我们就处于两者必择其一的境地：或者放弃牛顿力学作为天体运动的动力学基础；或者认为天体并不均匀分布在整个无限空间，而只占据一个有限的范围。但按照牛顿理论，如果天体运动只分布在有限空间，这个体系是不稳定的，它必将塌缩。正是为了摆脱这种困境，在广义相对论的基础上，1917年爱因斯坦提出了一个崭新的宇宙观[5]：我们也可能生活在一个有限无边的空间内，描述这个空间的几何不是欧几里得几何，而是非欧几里得几何。限于当时的观测资料，爱因斯坦认定宇宙是静态的，为解决宇宙平衡的问题，在解他的场方程时引进了一个宇宙常数项，得到了一个静态时空解。1922年弗里德曼(Friedmann,1888-1925)得到了场方程的一个动态时空解（这本是爱因斯坦场方程的必然结果），他给出了宇宙在膨胀的预言。 1929年，哈勃(Hubble,1889-1953)发现远方星系光谱波长变长，即“红移”，说明远方星系正在远离我们，证实了弗里德曼的预言。
宇宙学是研究存在的整体的大尺度空间结构和演化的科学。自1965年彭齐亚斯、威尔逊在 7.35cm处测到3K的微波背景辐射(CMB)，到1989年约翰·马瑟和乔治·斯穆特负责的宇宙背景探测器（COBE卫星）项目，给出了精确符合温度为 2.7K黑体谱曲线的观测结果；至此1946年乔治·伽莫夫(G.Gamow,1904-1968)在广义相对论引力理论基础上创建的“大爆炸”宇宙模型，成为今天大多数物理学家所接受的一个模型。现代宇宙学认为今日宇宙——年龄：137±1亿年；物质组成：重子物质（亮物质）4%，暗物质23%，暗能量73%；正在平直的加速膨胀。2004年3月美国太空望远镜研究所的里斯等科学家宣布：宇宙至少还能存活300亿年左右。