空間和時間的本質是什麼?

空間和時間的本質是什麼?這是從2000多年前的古代哲學家到現代天文學家一直都在苦苦思索的問題。

哲學上,空間和時間的依存關係表達著事物的演化秩序。

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係而言的。

“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。

時、空、質在內涵上是既各自獨立又相互聯繫著的三個絕對概念。時間公理、空間點分理、質量總體分理表達了它們的各自獨立性,而空時關係分理和質空關係分理則表達了它們的相互聯繫性。空時關係分理和質空關係分理表明U=U(T)和M=M(U),即空間所經歷者為時間和質量所充滿者為空間,就是說:“時空隨質度” 。質量是三要素中的原生要素,沒有質量就沒有空間,沒有空間就沒有時間,如果採用老子道德經的詩化描述,則有:原生質,質生空,空生時,時生萬物。

時空質的外延部份涉及到其數值測度問題,其測度數值都是相對於參照系的,而且都只能夠是近似值。測度時空質的數值是科學上要具體解決的問題。在愛恩斯坦以前是在虛擬靜止參照系下分別測度的,具體了它們的各自獨立性;愛恩斯坦增加了在實際運動參照系下的共尺測度方法,具體了它們的相互聯繫性。

伽利略相對性打破了牛頓的絕對空間概念。力學相對性原理(伽利略相對性)要求物體的運動規律中必定不含有絕對速度,亦即絕對速度是無法測定的,否定了牛頓絕對空間的存在。

牛頓曾經對絕對空間的不存在感到非常憂慮,因為與其絕對上帝的觀念不一致。事實上,即使絕對空間的不存在隱含在其定律中,牛頓也會拒絕接受。因為這個非理性的信仰,牛頓受到許多人的嚴厲批評,最有名的是貝克萊,他是一個相信所有的物質實體、空間和時間都是虛妄的哲學家。

亞里士多德和牛頓都相信絕對時間,相信人們可以準確地測量兩個事件之間的時間間隔。時間和空間是完全獨立的。

相對論改變了空間和時間的觀念,否定了絕對空間和絕對時間。引力的作用就在於使空時變成彎曲的,而不再是經典力學中的無限延伸的歐幾里得幾何的絕對空間和無限延伸的閔可夫斯基空間。廣義相對論揭示存在空間-時間客體,指出空間-時間的性質與物體運動相聯繫。

愛因斯坦提出了革命性的思想,即引力不像其他種類的力,空間-時間是由於其質量和能量的分佈而扭曲,造成空間-時間結構不是平坦的事實。對空間-時間新的理解是宇宙觀的革命。

量子論的發展,對時間概念提出了更根本的問題。量子論認為對於一個體系在過去可能存在於什麼狀態的判斷結果,決定於在現今的測量中做怎樣的選擇。所以,除非一個體系的過去狀態已經被記錄,不能認為體系的歷史是獨立於現今的選擇而存在於過去的時間中。這種現在與過去之間的相互關係,與因果順序概念十分不同,暗含於時間概念中的因果序列要求過去的存在不依賴現在。量子論還表明,在10-33厘米、10-43秒這樣小的時空尺度中,描寫事件順序的“前”“後”概念將失去意義。因此,用時間來描述事件發生的順序,可能並不總是合用的。空間與時間是事物之間的一種次序,但並不一定是最基本的次序,它可能是更基本的次序的一種近似

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。

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著密切的聯繫

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