物理学中的空间与时间（1）

       宇宙中的任何物体，大至星系小至一个基本粒子，都存在于空间之内；宇宙中的
任何现象和变化都发生于时间之中。因之，空间和时间便是人类经常谈论的题材。在人
类进入文明之前，就产生了有关空间和时间的神话。现在，不仅物理学家在研究空间、
时间，哲学家也在研究空间、时间。甚至政治家和军事家也会说及空间和时间，例如在
抗日战争时期，曾提出过“以空间换时间”的战略方针，就是说先放弃一些地区以换得时间
准备反攻；当然，其所指的空间、时间是狭义的空间、时间。本博文所要讨论的是物
理学中的空间和时间。
         一、什么是空间和时间
        有些人把空间解释为“物质的广延性和伸张性”，把时间解释为“物质运动的间隔性和
顺序性”；虽然不能说这些解释是错误的，但这些解释对什么是“物质的广延性和伸张性”，
什么是“物质运动的间隔性和顺序性”没有作出说明，因而对什么是空间和时间仍然没有解
释清楚。本博文将深入浅出且比较全面地来说明物理学中的空间和时间是什么，打算分成
几次发表。
       任何物体都占据位置并具有体积（质点只是极限情况，其体积可忽略不计）。当物体运
动或变化（如受热膨胀）时，其位置、体积往往发生改变，即由旧位置变至新位置，由旧体
体积变至新体积。此外，两个物体之间往往相隔一段距离，当其中任一物体运动时，它们的
距离要发生改变。把所研究的一切物体的位置、体积、距离（这些就是所谓“物质的广延性
和伸张性”）加以最广泛地概括、抽象，用一个概念来表达，就形成‘空间’概念。
        任何（物体的）运动或变化的某一状态（如足球刚踢入球门，一杯水全部刚结成冰）必
发生在某一瞬刻，一个运动或一个变化往往要经历一段间隔（如足球从球员的脚部至踢入球
门有一段间隔，一杯水从开始结冰至全部结成冰也有一段间隔）。此外，一些运动或变化还有
先后顺序的关系。把所研究的一切运动和变化的瞬刻、间隔、先后顺序（这些就是所谓“物
质运动的间隔性和顺序性”）加以最广泛地概括、抽象，用一个概念来表达，就形成‘时间’
概念。
        任何物体及其运动和变化既存在于空间，也出现于时间。任何物体及其运动和变化不可
能只存在于空间而不出现于时间，也不可能只出现于时间而不存在于空间。这就是说空间和
时间总是结合在一起而形成空-时（也常称为时-空），这种结合必定要反映在理论之中；狭义相对论和广义相对论如此，牛顿力学理论也如此。只是在牛顿力学理论中，空间和时间的结合不如在相对论那样紧密；这表现在，对于相对论，空间和时间紧密结合，具有空-时4维度规，对于牛顿力学理论，空间和时间松散结合，具有空间3维度规和时间1维度规。这个问题留待后续博文详细讨论。



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