试论物理学时间和空间的关系电子信息工程（职师）施家建[摘要]时间和空间是物理学中的重要概念，本文主要从概念入手，论述时空观在物理学中的发展过程，重点介绍绝对时空观与相对论时空观，并运用数学手段和方法对各时期的时空性质及其局限性进行较深层次的探讨。

使人们正确理解时间和空间的关系，领会相对论时空观的内容，培养发散思维。

[关键词]时间;空间;时空性质;绝对时空观;相对论时空观Discussion on the relationship between time and space in physicsElectronic and Information Engineering(vocational teacher) SHI Jia-jianAbstract:Time and space are important concepts in physics, this thesis start from the concept, discusses the development process of conception of time and space in physics, focuses on absolute conception of time and space and conception of time and space in relativity, and use mathematical means and methods to explore the characteristics and limitations of time and space in each period. To make people correctly understand the relationship between time and space, and understand the spatiotemporal characteristics of relativity, and then develop divergent thinking.Key words:Time; space; spatiotemporal characteristics; absolute conception of time and space; conception of time and space in relativity引言什么是时间？什么是空间？从古至今，关于时间和空间是什么的问题，一直在被讨论着。

在古代，人们对时间和空间的认识大多是建立在主观认识和感性认识上，只是朴素的认识。

直到以牛顿、伽利略等人为代表的经典物理时代，人们对空间和时间才具有较完整的认识，并且用数学公式将它们表达出来，经典物理的时空观曾被作为科学真理兴盛了两个多世纪。

但是，从20世纪开始，物理学开始深入扩展到微观高速领域，这时发现经典时空观在这些领域不再适用，物理学的发展要求对经典时空观作出根本性的改革。

这种改革终于实现了，那就是相对论的建立，它彻底地改变了人们对时间和空间的认识，颠覆了人们之前的时空观，并且在一定范围内接受住了实践的检验。

虽然还有不完备之处，但仍可以说，相对论时空观是现今为止最科学的时空观。

因此，通过本篇论文的探讨和学习，我们可以对人类时空观转变和发展有所了解，形成正确的时空观念，增加对物理学的兴趣，提升分析问题的能力。

1 古代时空观在古代的时空观中，最系统全面地研究时间和空间的是亚里士多德。

他认为空间是一种独立于物质的存在，充斥着整个宇宙，包围着物质。

亚里士多德论述说：“离开了空间之后，任何事物都不能存在，但空间却可以离开别的事物而存在；当其所包围的物体灭亡之时，空间并不灭亡；空间可在物理离开以后单独存在，因而是可分离的”[1]96。

这种认识虽然片面且无严谨的科学论证，但确实符合直观经验，有一定的经验根据。

所有物质都有一定的体积，从而占有一定的空间。

如果没有空间，物质就没有存在的场所。

另外，我们从直接经验来看，物体从其位置移走以后，其所占据的空间还可容纳别的物体，因而可认为空间像容器一样可以离开物体而存在。

但同时，亚里士多德还认为空间是不能移动的容器。

“恰如容器是能移动的空间那样，空间是不能移动的容器。

”[1]103这种认识是对经验事实的合理概括和抽象。

亚里士多德认为空间分为两类：“一是共有的，即所有物体都在于其中的；另一是特有的，即每个物体所直接占有的。

”[1]95这种对空间的理解既有对经验事实的直观认识，也有以此为基础的抽象概括。

人们能够直接观察、测量的是物体的“特有空间”，而对“共有空间”的认识是以“特有空间”为基础的。

亚里士多德从大量具体的“特有空间”中提炼并概括出一般的共同的空间，这是古代关于空间认识的一大进步。

时间之于事物的运动，恰如位置之于运动的事物。

亚里士多德对时间的定义是：“依先后而定的运动的数目”，其中“依先后而定”指的是均匀计数的方式，“运动的数目”指的是按此方式衡量运动所得到的一个个数目，即“现在”的系列。

按照这个定义，时间具有连续性，时间的连续性表现在“现在”的均匀连续。

亚里士多德第一次把时间解释为由“现在”所构成的连续系列。

同时，亚里士多德还认为，时间具有一定的独立性。

他说：“时间同等地出现于一切地方，和一切事物同在，并且事物的变化或快或慢，而时间没有快慢”。

[1]123这说明时间有其固有属性，即相对于事物具有一定的独立性。

那么时间如何度量呢？亚里士多德认为：“我们不仅用时间度量运动，也用运动计量时间，因为它们是相互确定的”。

[1]128这种时间由运动来度量的认识是非常深刻而正确的。

从逻辑上讲，时间是用一定的时间单位来计量，但从实质上讲，人们只能用运动计量时间，因为离开了物质的运动则无时间可言。

既然用运动来计量时间，而运动的种类很多，那么该选择何种形式的运动计量时间呢？亚里士多德指出：“整齐划一的循环运动”最适于作为时间计量的单位。

[1]137之所以这么选择，是因为别的运动均可用整齐划一的循环运动计量。

他在《论天》中指出：人们可以选择天体的旋转运动作为度量一切运动的尺度，因为“只有它是连续的，均衡的和永恒的”。

[2]选择连续的、均匀的循环运动作为时间计量的单位才能保证准确性的。

事实亦证明，这种运动形式是最为合理的计时方式，无论是古代的年、月、日计时，还是现代的小时、分钟和秒，都是采用连续均匀的物质循环运动的结果。

在物理发展史上，亚里士多德第一个对时间和空间作了较为全面的论述，为西方世界提供了一种朴素的时空观，并且这种时空观对欧洲科技文化的发展产生了深远的影响。

著名哲学家海德格尔说：“亚里士多德的时间论著是第一部流传至今的对时间这一现象的详细解释。

它基本规定了后世所有人对时间的看法。

”[3]这种评价并不过分，事实上,至今为止仍有一部分人是这么认为的。

并且亚里士多德的时空观中有好多内容正是接下来的牛顿绝对时空观的认识基础，当然，这也是人类认识过程的历史必然结果。

2 经典时空观19世纪后期，经典物理在理论上建立了完整的体系，在应用上也取得了巨大的成就。

在亚里士多德的古代时空观的基础上，经典物理为了更方便更简洁的处理问题，开始引入数轴和坐标系等数学工具，用以描述时间和空间。

2.1 对时间的描述-时刻和时间间隔时间，是物理学中的基本物理量之一，是对事件过程长短和发生顺序的度量。

我们用时间来度量运动，同时也用运动来计量时间。

计量任何物理量都必须首先规定它的单位，时间也不例外，很久以前人类就以地球自转一周的时间作为时间的单位，称作一天（日）。

在当时国际单位制中，时间的基本单位是秒（s），是用某个指定历元下的地球公转周期来规定的。

在古代，人们用日晷、沙漏等计时仪器来测量时间。

在近代，人们通常用钟、表来测量时间；在运动场和实验室，经常用停表来测量时间。

随着科学技术的发展，人们还制造出了当时相当精确的计时仪器，如石英钟、机械停表等。

我们平时说的“时间”，有时指的是时刻，有时指的是时间间隔。

时刻是某一事件发生的瞬间，用以度量事件的发生顺序。

时间间隔是指两个时刻之间的差值，用以度量事件的过程长短。

在表示时间的数轴（时间轴）上，时刻用点表示，时间间隔用线段表示。

若事件A发生的时刻记为t A，事件B发生的时刻记为t B，两事件发生的时间间隔记为∆t，则：∆t=t B−t A（1）此时如果∆t大于零，则说明事件A发生在先，事件B发生在后。

反之，如果∆t小于零，则说明事件B发生在先，事件A发生在后。

并且A、B两事件之间的时间间隔就是∆t。

如果∆t等于零，则说明事件A和事件B是同时发生的。

这样，我们就可以通过“时间轴”的引入，把“时刻”和“时间间隔”这两个时间概念在数学上表示了出来，即时刻与时间间隔分别用t A、t B、∆t等数学量表示出来。

2.1 对空间的描述-位置和长度空间，也是物理学中的基本概念之一。

在经典物理学中，空间是指物质实体之外的部分，是对物体大小和所在位置度量。

对空间的度量，包括了对物体的体积（三维空间）、面积（二维空间）和长度（一维空间）的度量。

其中的体积和面积，虽然是高维度的量，但就其本质而言，也只是不同维度（方向）中的“长度”的综合体现而已，只要我们有了对“长度”的度量标准，那么我们就可以用以度量面积和体积。

因此，我们可以说，对空间的度量，本质上就是对长度的度量。

像时间一样，长度的测量也要先规定它的单位，长度的基本单位是我们所熟悉的米（m）。

在当时的国际单位制中，米是用地球子午线全长的四千万分之一来定义的。

我们平时说的“空间”，除了指用体积、面积、长度来度量的“空间大小”之外，有时还指的是“空间位置”，空间位置是指某物体与参照物（参考系）之间的空间距离的长度，用以度量物体之间的的位置关系。

为了定量地说明一个质点相对于此参照物的空间位置以及空间大小，确定了参照物之后，我们可以就在此参照物上建立固定的坐标系。

在经典物理中最常用的坐标系是笛卡尔直角坐标系。

它以参照物上某一个固定点为原点O，从此原点沿3个互相垂直的方向引3条直线作为坐标轴，通常分别叫做x，y，z轴。

这样的坐标系中，一个质点在任意时刻的空间位置，就可以用3个坐标值x，y，z来表示。

质点位置的空间坐标值是沿着坐标轴方向从原点开始量起的长度，反过来，“长度”则体现为两位置之间的坐标值之差。

在坐标系中，空间位置用点来表示，一维空间用线段长度表示，二维空间用面积表示，三维空间则用体积表示。

在x 轴上，位置A的空间坐标记为x A，0，0，位置B的空间坐标记为x B，0，0，两位置之间的空间距离（长度）记为∆l，则：∆l=x B−x A（2）由于对体积、面积、长度等空间大小的度量，本质上就是对长度的度量。