日期：2009-10-12　00:01:46

　　第二章空间与时间
　　空间与时间是物理学中的基本概念。早在公元前300多年前对空间与时间就有所阐说了。在欧几里得的几何学里有着平直的空间；三角形、圆形、方形、平行线均有着各自明确的定义。而时间一直均衡地永不休止地稳稳向前流逝，决不受其它任何事物的影响而改变。这一空间与时间的概念经历了数千年，在人们的头脑里，深深地印在所有人的习惯思维中而不加思索、毫无疑问地运用。

　　接着在两千年以后，物理学最完美的过程由物理学巨匠牛顿开启完成。他将经典物理归纳到比较完美的程度，他所提出的力学三大定律，简单、明了地概括了所有以前人们认知的物理规律；总结了千百年来人们从物理现象中得出的经验。在他所筑起的经典物理大厦中物理精英在里面安然无恙地感觉到一种美好的坐享其成的感受，因为整个物理世界总是那么和谐地不出人们所料的，一丝不苟地严格遵循已知的规律驯服地运转。在牛顿力学绝对的空间与绝对的时间中，物理学界平稳地渡过了几百年。直到十九世纪末，物理学家相信他们对物理学的描述已经接近尾声。人类伟大的科学家牛顿所建立的这个金碧辉煌的经典物理大厦，就是建在永恒不变的三维空间和恒定向前的时间的基础上。

　　然而，正当物理学界准备举杯欢庆之时麻烦来了，首先向他们发难的是微观世界的小不点。其实，世上本不存在一劳永逸的成果可享受一辈子，经典物理大厦相对于外面浩瀚的自然界来说，那点知识显然是不够用的。大厦里的井底之蛙们面对广阔宇宙的知识海洋无所适从。随着人们对科学不断的追求，随着科学进步的不断发展，人们的知识领域越来越宽广，探索的区域大到无边无际的宇宙，小到难以测知的微粒子世界。经典物理在解释新知识时逐渐遇到越来越多的困难。刚开始物理学家们尽量利用现有的牛顿物理的知识来解释，将问题归纳到旧有理论的范畴内，然而时间久了问题终究是捂不住的，譬如典型的“紫外灾”问题，即紫外线照射金属后金属会放射出电子来。这在以往的经典物理中根本无法解释这一微观世界的物理现象。这样，业已被新问题击得千疮百孔的经典物理大厦，最后终于在越来越复杂的困难的面前起火了。

　　也就是说原先基本上是在人们看得到摸得着、可直接感知范围内适用的物理定律，当扩展到难以感知的极大的宇宙或极小的微观世界时，产生的难以解决的矛盾层出不穷了。进入二十世纪，又一划时代的科学巨人爱因斯坦终于站了出来打开了这一僵局，他在1905年提出了狭义相对论，又于1915年进一步提出了广义相对论。同时，他用量子的观点解释了光电效应，成功地破解了“紫外灾”，为此他荣获了1921年度诺贝尔物理学奖。他首开了量子力学的新篇章，对人类做出了划时代的重大贡献。

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日期：2009-10-13　00:48:57

　　20世纪前，物理学的基本理论就是牛顿力学，牛顿对宇宙的看法是：所有的天体都是静止的，空间无限大。
　　当时物理界还普遍认为宇宙空间充满了一种叫做“以太”的连续物质，它是一种静止的、无质量的、绝对刚性的物质；光与电磁波就像空气中的声波一样，是“以太”中的波。
　　爱因斯坦认为“以太”在宇宙中根本就不存在；而且也没有“绝对时间”“绝对空间”。
　　随着物质运动、空间、时间、质量、能量全都在变化并且变化的程度是随速度的加快而增大。狭义相对论说空间和时间二者之间是可以互相转化的。而广义相对论则进一步引入了万有引力来和时间、空间建立起关系，指出它和物质的质量分布有关；质量造成了空间的弯曲，质量越大时空也就弯曲得越利害；这实际上已经改变了通常人们的那种认为时间总是不断向前的观点。

　　爱因斯坦说引力与其它力不一样，他赋予了它几何性质的概念：它只是空间——时间不是平坦的这一事实的结果。质量与能量的分布不匀使空间——时间弯曲了。他又说地球沿着弯曲轨道绕太阳公转并非是什么万有引力的作用，而是它只能顺着弯曲空间的测地线——曲面上的两点间的最短距离行进。由于在相对论中质量总是正值，这就决定了时空只能像球体一样向自身弯曲，它反映出引力是吸引的与时空的正曲率正好吻合。

　　空间的物质使空间弯曲了，而弯曲的空间也反过来决定了空间粒子的曲线运动。也就是说引力已经是一种几何性质的东西，这样它也就只能是相对论特有的，爱因斯坦明确指出它与其它属于量子力学的力是完全不同的。由于量子化的广义相对论不能重整化，因而也就无法依照解释电磁力的方法来解释万有引力。量子化与相对论互不自洽，这是量子力学中最大的缺陷。就此相对论只属于大尺度宏观宇宙范畴研究所用；量子理论划归于研究微观粒子世界了，本章所说的空间——时间就归相对论了。

　　引力的几何曲面解释告诉我们，就是光线也必须沿着空间——时间的测地线走，而并不是一般人们所认为的光线是直线的概念。关于这点爱因斯坦在广义相对论中预言，太阳附近的时空曲率使得从遥远恒星来的光线在通过太阳附近时被弯折。几年以后，在一支英国探险队1919年远征西非观测了日食现象后完全证实了该预言，曾引起了全球的轰动。

　　光线会在引力场中发生弯曲，使人们联想到透镜中光线的偏析，从而有人提出过引力透镜的理论，说的是，在一个质量足够大的物体后面的光源所发出的光线，从这个物体周围经过后，能像经过透镜一样在该物体前面成像。引力透镜现象引导人们去设法观测大质量天体后面的未知光源。
　　在这个问题上，广义相对论不同于狭义相对论之处，不仅仅畸曲了空间——时间，并且将空间——时间本身就作为一个动力源，从而能够影响物体的运动；反过来物体在运动过程中也时刻在影响着空间——时间的曲率的不断改变。
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日期：2009-10-13　21:10:24

　　为了将过去、现在和将来分开人们设置了三种不同的时间箭头，从而使时间有了方向，第一种就是心理学箭头，也就是我们自我感觉的时间流逝的方向；在这个箭头方向下，我们可以记忆过去而不是未来。第二种是热力学时间箭头，在这个时间方向上，无序度或熵只增不减。第三种是宇宙学箭头，在这个时间方向上宇宙是在膨胀不是收缩的。

　　另外，广义相对论还预言了在像地球这样的大质量的物体附近，时间会流逝得慢一些。这是因为光从地球的引力场往上走时要失去能量，因而频率降低了。这个预言在1962年被验证，人们测出安装在水塔顶上的钟，比塔底下的钟要走的快一些。这一原理对于要利用卫星发出的信号来做非常精确的导航来说显得相当重要，如果对此预言无知，所计算的位置会错几里地。

　　广义相对论的奇特之处，还在于它将空间——时间实际上结合在三维空间和一维时间共同的四维联系体之中，并且空间——时间的维度能够相互转换。同时爱因斯坦又指出，能量与质量也能够相互转换。
　　他说这是为了保留能量守恒定律和动量守恒定律，不得不改变一些陈旧的观念。必须认识到质量不是固定不变的，它能够和能量相互转化，也就是说质量会转变为能量 ；能量也能够转变成质量。