試論物理學(xué)時(shí)間和空間的關(guān)系.docxVIP

試論物理學(xué)時(shí)間和空間的關(guān)系電子信息工程（職師） 施家建摘 要時(shí)間和空間是物理學(xué)中的重要概念，本文主要從概念入手，論述時(shí)空觀在物理學(xué)中的發(fā)展過程，重點(diǎn)介紹絕對(duì)時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀，并運(yùn)用數(shù)學(xué)手段和方法對(duì)各時(shí)期的時(shí)空性質(zhì)及其局限性進(jìn)行較深層次的探討。使人們正確理解時(shí)間和空間的關(guān)系，領(lǐng)會(huì)相對(duì)論時(shí)空觀的內(nèi)容，培養(yǎng)發(fā)散思維。關(guān)鍵詞時(shí)間;空間;時(shí)空性質(zhì);絕對(duì)時(shí)空觀;相對(duì)論時(shí)空觀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引言什么是時(shí)間？什么是空間？從古至今，關(guān)于時(shí)間和空間是什么的問題，一直在被討論著。在古代，人們對(duì)時(shí)間和空間的認(rèn)識(shí)大多是建立在主觀認(rèn)識(shí)和感性認(rèn)識(shí)上，只是樸素的認(rèn)識(shí)。直到以牛頓、伽利略等人為代表的經(jīng)典物理時(shí)代，人們對(duì)空間和時(shí)間才具有較完整的認(rèn)識(shí)，并且用數(shù)學(xué)公式將它們表達(dá)出來，經(jīng)典物理的時(shí)空觀曾被作為科學(xué)真理興盛了兩個(gè)多世紀(jì)。但是，從20世紀(jì)開始，物理學(xué)開始深入擴(kuò)展到微觀高速領(lǐng)域，這時(shí)發(fā)現(xiàn)經(jīng)典時(shí)空觀在這些領(lǐng)域不再適用，物理學(xué)的發(fā)展要求對(duì)經(jīng)典時(shí)空觀作出根本性的改革。這種改革終于實(shí)現(xiàn)了，那就是相對(duì)論的建立，它徹底地改變了人們對(duì)時(shí)間和空間的認(rèn)識(shí)，顛覆了人們之前的時(shí)空觀，并且在一定范圍內(nèi)接受住了實(shí)踐的檢驗(yàn)。雖然還有不完備之處，但仍可以說，相對(duì)論時(shí)空觀是現(xiàn)今為止最科學(xué)的時(shí)空觀。因此，通過本篇論文的探討和學(xué)習(xí)，我們可以對(duì)人類時(shí)空觀轉(zhuǎn)變和發(fā)展有所了解，形成正確的時(shí)空觀念，增加對(duì)物理學(xué)的興趣，提升分析問題的能力。1 古代時(shí)空觀在古代的時(shí)空觀中，最系統(tǒng)全面地研究時(shí)間和空間的是亞里士多德。他認(rèn)為空間是一種獨(dú)立于物質(zhì)的存在，充斥著整個(gè)宇宙，包圍著物質(zhì)。亞里士多德論述說：“離開了空間之后，任何事物都不能存在，但空間卻可以離開別的事物而存在；當(dāng)其所包圍的物體滅亡之時(shí)，空間并不滅亡；空間可在物理離開以后單獨(dú)存在，因而是可分離的”196。這種認(rèn)識(shí)雖然片面且無嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)論證，但確實(shí)符合直觀經(jīng)驗(yàn)，有一定的經(jīng)驗(yàn)根據(jù)。所有物質(zhì)都有一定的體積，從而占有一定的空間。如果沒有空間，物質(zhì)就沒有存在的場(chǎng)所。另外，我們從直接經(jīng)驗(yàn)來看，物體從其位置移走以后，其所占據(jù)的空間還可容納別的物體，因而可認(rèn)為空間像容器一樣可以離開物體而存在。但同時(shí)，亞里士多德還認(rèn)為空間是不能移動(dòng)的容器?！扒∪缛萜魇悄芤苿?dòng)的空間那樣，空間是不能移動(dòng)的容器。”1103這種認(rèn)識(shí)是對(duì)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的合理概括和抽象。亞里士多德認(rèn)為空間分為兩類：“一是共有的，即所有物體都在于其中的；另一是特有的，即每個(gè)物體所直接占有的?！?95這種對(duì)空間的理解既有對(duì)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的直觀認(rèn)識(shí)，也有以此為基礎(chǔ)的抽象概括。人們能夠直接觀察、測(cè)量的是物體的“特有空間”，而對(duì)“共有空間”的認(rèn)識(shí)是以“特有空間”為基礎(chǔ)的。亞里士多德從大量具體的“特有空間”中提煉并概括出一般的共同的空間，這是古代關(guān)于空間認(rèn)識(shí)的一大進(jìn)步。時(shí)間之于事物的運(yùn)動(dòng)，恰如位置之于運(yùn)動(dòng)的事物。亞里士多德對(duì)時(shí)間的定義是：“依先后而定的運(yùn)動(dòng)的數(shù)目”，其中“依先后而定”指的是均勻計(jì)數(shù)的方式，“運(yùn)動(dòng)的數(shù)目”指的是按此方式衡量運(yùn)動(dòng)所得到的一個(gè)個(gè)數(shù)目，即“現(xiàn)在”的系列。按照這個(gè)定義，時(shí)間具有連續(xù)性，時(shí)間的連續(xù)性表現(xiàn)在“現(xiàn)在”的均勻連續(xù)。亞里士多德第一次把時(shí)間解釋為由“現(xiàn)在”所構(gòu)成的連續(xù)系列。同時(shí)，亞里士多德還認(rèn)為，時(shí)間具有一定的獨(dú)立性。他說：“時(shí)間同等地出現(xiàn)于一切地方，和一切事物同在，并且事物的變化或快或慢，而時(shí)間沒有快慢”。1123這說明時(shí)間有其固有屬性，即相對(duì)于事物具有一定的獨(dú)立性。那么時(shí)間如何度量呢？亞里士多德認(rèn)為：“我們不僅用時(shí)間度量運(yùn)動(dòng)，也用運(yùn)動(dòng)計(jì)量時(shí)間，因?yàn)樗鼈兪窍嗷ゴ_定的”。1128這種時(shí)間由運(yùn)動(dòng)來度量的認(rèn)識(shí)是非常深刻而正確的。從邏輯上講，時(shí)間是用一定的時(shí)間單位來計(jì)量，但從實(shí)質(zhì)上講，人們只能用運(yùn)動(dòng)計(jì)量時(shí)間，因?yàn)殡x開了物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)則無時(shí)間可言。既然用運(yùn)動(dòng)來計(jì)量時(shí)間，而運(yùn)動(dòng)的種類很多，那么該選擇何種形式的運(yùn)動(dòng)計(jì)量時(shí)間呢？亞里士多德指出：“整齊劃一的循環(huán)運(yùn)動(dòng)”最適于作為時(shí)間計(jì)量的單位。1137之所以這么選擇，是因?yàn)閯e的運(yùn)動(dòng)均可用整齊劃一的循環(huán)運(yùn)動(dòng)計(jì)量。他在論天中指出：人們可以選擇天體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作為度量一切運(yùn)動(dòng)的尺度，因?yàn)椤爸挥兴沁B續(xù)的，均衡的和永恒的”。2選擇連續(xù)的、均勻的循環(huán)運(yùn)動(dòng)作為時(shí)間計(jì)量的單位才能保證準(zhǔn)確性的。事實(shí)亦證明，這種運(yùn)動(dòng)形式是最為合理的計(jì)時(shí)方式，無論是古代的年、月、日計(jì)時(shí)，還是現(xiàn)代的小時(shí)、分鐘和秒，都是采用連續(xù)均勻的物質(zhì)循環(huán)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。在物理發(fā)展史上，亞里士多德第一個(gè)對(duì)時(shí)間和空間作了較為全面的論述，為西方世界提供了一種樸素的時(shí)空觀，并且這種時(shí)空觀對(duì)歐洲科技文化的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。著名哲學(xué)家海德格爾說：“亞里士多德的時(shí)間論著是第一部流傳至今的對(duì)時(shí)間這一現(xiàn)象的詳細(xì)解釋。它基本規(guī)定了后世所有人對(duì)時(shí)間的看法?！?這種評(píng)價(jià)并不過分，事實(shí)上,至今為止仍有一部分人是這么認(rèn)為的。并且亞里士多德的時(shí)空觀中有好多內(nèi)容正是接下來的牛頓絕對(duì)時(shí)空觀的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)，當(dāng)然，這也是人類認(rèn)識(shí)過程的歷史必然結(jié)果。2 經(jīng)典時(shí)空觀19世紀(jì)后期，經(jīng)典物理在理論上建立了完整的體系，在應(yīng)用上也取得了巨大的成就。在亞里士多德的古代時(shí)空觀的基礎(chǔ)上，經(jīng)典物理為了更方便更簡(jiǎn)潔的處理問題，開始引入數(shù)軸和坐標(biāo)系等數(shù)學(xué)工具，用以描述時(shí)間和空間。2.1 對(duì)時(shí)間的描述-時(shí)刻和時(shí)間間隔時(shí)間，是物理學(xué)中的基本物理量之一，是對(duì)事件過程長(zhǎng)短和發(fā)生順序的度量。我們用時(shí)間來度量運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也用運(yùn)動(dòng)來計(jì)量時(shí)間。計(jì)量任何物理量都必須首先規(guī)定它的單位，時(shí)間也不例外，很久以前人類就以地球自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間作為時(shí)間的單位，稱作一天（日）。在當(dāng)時(shí)國(guó)際單位制中，時(shí)間的基本單位是秒（s），是用某個(gè)指定歷元下的地球公轉(zhuǎn)周期來規(guī)定的。在古代，人們用日晷、沙漏等計(jì)時(shí)儀器來測(cè)量時(shí)間。在近代，人們通常用鐘、表來測(cè)量時(shí)間；在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)常用停表來測(cè)量時(shí)間。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們還制造出了當(dāng)時(shí)相當(dāng)精確的計(jì)時(shí)儀器，如石英鐘、機(jī)械停表等。我們平時(shí)說的“時(shí)間”，有時(shí)指的是時(shí)刻，有時(shí)指的是時(shí)間間隔。時(shí)刻是某一事件發(fā)生的瞬間，用以度量事件的發(fā)生順序。時(shí)間間隔是指兩個(gè)時(shí)刻之間的差值，用以度量事件的過程長(zhǎng)短。在表示時(shí)間的數(shù)軸（時(shí)間軸）上，時(shí)刻用點(diǎn)表示，時(shí)間間隔用線段表示。若事件A發(fā)生的時(shí)刻記為tA，事件B發(fā)生的時(shí)刻記為tB，兩事件發(fā)生的時(shí)間間隔記為t，則：t=tB-tA （1）此時(shí)如果t大于零，則說明事件A發(fā)生在先，事件B發(fā)生在后。反之，如果t小于零，則說明事件B發(fā)生在先，事件A發(fā)生在后。并且A、B兩事件之間的時(shí)間間隔就是t。如果t等于零，則說明事件A和事件B是同時(shí)發(fā)生的。這樣，我們就可以通過“時(shí)間軸”的引入，把“時(shí)刻”和“時(shí)間間隔”這兩個(gè)時(shí)間概念在數(shù)學(xué)上表示了出來，即時(shí)刻與時(shí)間間隔分別用tA、tB、t等數(shù)學(xué)量表示出來。2.1 對(duì)空間的描述-位置和長(zhǎng)度空間，也是物理學(xué)中的基本概念之一。在經(jīng)典物理學(xué)中，空間是指物質(zhì)實(shí)體之外的部分，是對(duì)物體大小和所在位置度量。對(duì)空間的度量，包括了對(duì)物體的體積（三維空間）、面積（二維空間）和長(zhǎng)度（一維空間）的度量。其中的體積和面積，雖然是高維度的量，但就其本質(zhì)而言，也只是不同維度（方向）中的“長(zhǎng)度”的綜合體現(xiàn)而已，只要我們有了對(duì)“長(zhǎng)度”的度量標(biāo)準(zhǔn)，那么我們就可以用以度量面積和體積。因此，我們可以說，對(duì)空間的度量，本質(zhì)上就是對(duì)長(zhǎng)度的度量。像時(shí)間一樣，長(zhǎng)度的測(cè)量也要先規(guī)定它的單位，長(zhǎng)度的基本單位是我們所熟悉的米（m）。在當(dāng)時(shí)的國(guó)際單位制中，米是用地球子午線全長(zhǎng)的四千萬分之一來定義的。我們平時(shí)說的“空間”，除了指用體積、面積、長(zhǎng)度來度量的“空間大小”之外，有時(shí)還指的是“空間位置”，空間位置是指某物體與參照物（參考系）之間的空間距離的長(zhǎng)度，用以度量物體之間的的位置關(guān)系。為了定量地說明一個(gè)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于此參照物的空間位置以及空間大小，確定了參照物之后，我們可以就在此參照物上建立固定的坐標(biāo)系。在經(jīng)典物理中最常用的坐標(biāo)系是笛卡爾直角坐標(biāo)系。它以參照物上某一個(gè)固定點(diǎn)為原點(diǎn)O，從此原點(diǎn)沿3個(gè)互相垂直的方向引3條直線作為坐標(biāo)軸，通常分別叫做x，y，z軸。這樣的坐標(biāo)系中，一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在任意時(shí)刻的空間位置，就可以用3個(gè)坐標(biāo)值x，y，z來表示。質(zhì)點(diǎn)位置的空間坐標(biāo)值是沿著坐標(biāo)軸方向從原點(diǎn)開始量起的長(zhǎng)度，反過來，“長(zhǎng)度”則體現(xiàn)為兩位置之間的坐標(biāo)值之差。在坐標(biāo)系中，空間位置用點(diǎn)來表示，一維空間用線段長(zhǎng)度表示，二維空間用面積表示，三維空間則用體積表示。在x軸上，位置A的空間坐標(biāo)記為xA，0，0，位置B的空間坐標(biāo)記為xB，0，0，兩位置之間的空間距離（長(zhǎng)度）記為l，則：l=xB-xA （2）由于對(duì)體積、面積、長(zhǎng)度等空間大小的度量，本質(zhì)上就是對(duì)長(zhǎng)度的度量。這樣，我們就可以通過“坐標(biāo)系”的引入，把“空間位置”和“空間大小”這兩個(gè)空間概念在數(shù)學(xué)上表示了出來，即空間位置與空間大小用xA，yA，zA、xB，yB，zB、l等數(shù)學(xué)量表示出來。2.3 對(duì)時(shí)空性質(zhì)的認(rèn)識(shí)-絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間有關(guān)時(shí)間和空間的性質(zhì)問題，經(jīng)典物理學(xué)給出的是“絕對(duì)時(shí)間”和“絕對(duì)空間”概念，或稱絕對(duì)時(shí)空觀。在絕對(duì)時(shí)空觀中，牛頓是最具代表性的，對(duì)于時(shí)間，他說：“絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身流逝著，并因它的本性而在均勻地與外界任何事物無關(guān)地流逝著。”219而對(duì)于空間，他又說：“絕對(duì)的空間，就其本性而言，與外界任何事物無關(guān)而永遠(yuǎn)是相同的和不動(dòng)的?！?20從牛頓的觀念中我們可以看出，這里的絕對(duì)時(shí)間，是指時(shí)間的度量是絕對(duì)的，和參考系無關(guān)。而絕對(duì)空間，則是指長(zhǎng)度的度量是絕對(duì)的，與參考系無關(guān)。具體來說，就是只要我們的鐘表足夠準(zhǔn)，測(cè)量同一運(yùn)動(dòng)或者同樣的前后兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔，不管在哪個(gè)參考系內(nèi)，測(cè)量結(jié)果是一樣的。同樣，在測(cè)量的精確范圍內(nèi)，同一物體的長(zhǎng)度也不隨慣性參考系的選擇而變化。并且，絕對(duì)時(shí)空觀中時(shí)間的測(cè)量和空間的測(cè)量是相互獨(dú)立，互不影響的。即測(cè)量時(shí)間時(shí)與長(zhǎng)度無關(guān)，反之，測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)與時(shí)間無關(guān)。接下來我們可以看到，絕對(duì)時(shí)空觀就是經(jīng)典力學(xué)的根基，經(jīng)典力學(xué)正是建立在絕對(duì)時(shí)空觀的基礎(chǔ)上處理問題的，并且我們還可以從絕對(duì)時(shí)空觀出發(fā)，利用數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出經(jīng)典力學(xué)處理問題的方法：牛頓相對(duì)性原理，以及伽利略坐標(biāo)變換、伽利略速度變換。2.4 牛頓相對(duì)性原理和伽利略坐標(biāo)、速度變換經(jīng)典力學(xué)主要是研究物體運(yùn)動(dòng)的，運(yùn)動(dòng)就是位置的變化，由于位置總是相對(duì)某物體而言的，所以描述運(yùn)動(dòng)必須先得選定參考系。如果在一個(gè)參考系中牛頓定律成立，那么我就稱這個(gè)參考系為“慣性系”。如果這時(shí)有另外一個(gè)參考系，它相對(duì)于某個(gè)慣性系靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)，那么，在這個(gè)參考系中，牛頓定律也成立，即任何相對(duì)于某個(gè)慣性系保持靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系都是慣性系，對(duì)于任何慣性系，牛頓定律都成立。這個(gè)結(jié)論就是牛頓相對(duì)性原理，也叫力學(xué)相對(duì)性原理或伽利略不變性（因?yàn)檫@個(gè)觀點(diǎn)首先是伽利略表述的）。為了從絕對(duì)時(shí)空觀推導(dǎo)出這一原理，我們可以運(yùn)用坐標(biāo)系的變換來說明：設(shè)有兩個(gè)參考系，分別以直角坐標(biāo)系S（O，x，y，z）和S（O，x，y，z）來表示，S相對(duì)于S做勻速直線運(yùn)動(dòng)，速度方向沿x軸正方向，速度大小為u，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們假設(shè)剛開始時(shí)，兩坐標(biāo)系互相重合。為了對(duì)比的測(cè)量時(shí)間，我們假設(shè)在S和S中分別有兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的秒表，這兩個(gè)秒表可與各自參考系一起運(yùn)動(dòng)，并與各自參考系保持相對(duì)靜止，分別測(cè)量各自參考系內(nèi)的時(shí)間間隔，且兩個(gè)鐘都以兩坐標(biāo)系重合的時(shí)刻作為計(jì)時(shí)零點(diǎn)開始計(jì)時(shí)。下面我們?cè)赟中記錄某一事件發(fā)生的時(shí)刻與位置，時(shí)刻記為t，位置記為（x，y，z）。并在S記錄同一事件發(fā)生的時(shí)刻與位置，時(shí)刻記為t，位置記為（x，y，z）。下面我們就來推導(dǎo)不同參考系中的時(shí)間和空間的關(guān)系：根據(jù)絕對(duì)時(shí)間的概念，我們可以得到：t=t （3）根據(jù)絕對(duì)空間的概念，我們可以得到：x=x-ut （4）y=y （5）z=z （6）將式（3）式（6）寫在一起，就可以得到下面的一組變換公式：x=x-ut，y=y，z=z，t=t （7）式（7）這組公式就是伽利略坐標(biāo)變換，我們可以清楚地看出，它是由絕對(duì)時(shí)空觀推導(dǎo)出來的，這說明時(shí)間和空間的測(cè)量與參考系的相對(duì)速度無關(guān)，即時(shí)間和空間是“絕對(duì)的”。伽利略坐標(biāo)變換就是絕對(duì)時(shí)空觀的直接反映。再進(jìn)一步將式（3）式（5）對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，由于t=t，我們可以得到：dxdt=dxdt-u，dydt=dydt，dzdt=dzdt （8）根據(jù)速度的概念，我們可以得到：vx=vx-u，vy=vy，vz=vz （9）式（9）這組公式就是伽利略速度變換，它說明在不同的慣性系里，共線的速度是線性疊加的，它亦是由絕對(duì)時(shí)空觀為基礎(chǔ)的所得出的。再進(jìn)一步將式（9）對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，由于u與時(shí)間無關(guān)，我們可以得到：dvdt=dvdt （10）根據(jù)加速度的概念，我們可以得到：a=a （11）式（11）說明同一物體在所有慣性系內(nèi)的加速度是一樣的。這里值得指出的是，在經(jīng)典力學(xué)力，除了時(shí)間和空間跟參考系無關(guān)外，力和質(zhì)量也是與參考系無關(guān)的，即為：F=F，m=m （12）根據(jù)式（11）式（12），我們又可以得到：F=ma （13）式（13）說明在任何慣性系內(nèi)，牛頓定律都能成立，并且牛頓定律的形式都是一樣的。在物理學(xué)中，某個(gè)物理定律若能以方程來表示，且在變換坐標(biāo)后，方程式的形式完全不變，則稱該物理定律是協(xié)變的。因此，我們說力學(xué)定律在慣性系中是協(xié)變的，這就是所謂的牛頓相對(duì)性原理。通過上面的推導(dǎo)，我們可以看出，不管是牛頓相對(duì)性原理、伽利略坐標(biāo)變換還是伽利略速度變換，都是以絕對(duì)時(shí)空觀為基礎(chǔ)，利用數(shù)學(xué)推導(dǎo)所得出的。3 狹義相對(duì)論時(shí)空觀19世紀(jì)后期，雖然經(jīng)典物理在理論上建立了完整的體系，在應(yīng)用上也取得了巨大的成就。但是當(dāng)時(shí)還有幾個(gè)問題難以用經(jīng)典的理論解釋清楚，然而，正是這幾個(gè)在當(dāng)時(shí)難以回答的問題，促生了嶄新的物理學(xué)理論-狹義相對(duì)論，從而徹底地改變了人們對(duì)時(shí)間和空間的認(rèn)識(shí)。3.1 光速引起的困難著名的物理學(xué)家麥克斯韋總結(jié)了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的各種普遍的基本規(guī)律之后，發(fā)現(xiàn)了電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的關(guān)系：CBdr=00ddtsEdS （14）CEdr=-ddtsBdS （15）從式（14）和式（15）我們可以看出電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的關(guān)系，簡(jiǎn)單來說，即變化的電場(chǎng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)也可以產(chǎn)生電場(chǎng)。麥克斯韋根據(jù)這一性質(zhì)，預(yù)言了電磁波的存在，并且根據(jù)該理論計(jì)算出了電磁波的波速：c=100=2.99108ms （16）在式（16）中，由于0（真空磁導(dǎo)率）、0（真空電容率）是與參考系無關(guān)的常數(shù)，因此得出電磁波速也是與參考系無關(guān)的常數(shù)。并且發(fā)現(xiàn)這一波速與光速相同，從而認(rèn)為光也是一種電磁波。后來包括邁克爾遜所設(shè)計(jì)利用地球自轉(zhuǎn)的光干涉實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的很多精確的實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)都證明，光速確實(shí)是恒定的，與參考系無關(guān)，因此這一結(jié)論被稱為光速不變?cè)?。?duì)比式（9）和式（16）我們可以看出，光速不變?cè)砼c伽利略速度變換互相矛盾，仔細(xì)推敲一下我們不難發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生矛盾的根源其實(shí)就在于絕對(duì)時(shí)空觀。運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致距離的變化，這時(shí)毋庸置疑的，此時(shí)，若認(rèn)為光速不變，距離的變化使得相同的光速傳播不同的距離，則光傳播的時(shí)間也會(huì)不同，反之，如果認(rèn)為時(shí)間不隨參考系而變化，由于運(yùn)動(dòng)必然導(dǎo)致距離的改變，距離的改變則使得光在相同的時(shí)間內(nèi)傳播不同的距離，因此光速也會(huì)變化，從而不能恒定。這一關(guān)系可以用簡(jiǎn)單的速度位移公式來進(jìn)一步說明：c=st （17）由于運(yùn)動(dòng)必然會(huì)導(dǎo)致距離s的變化，因此在相互運(yùn)動(dòng)的參考系中，s是一個(gè)變量，若認(rèn)為時(shí)間t不隨參考系而變化，則c一定隨參考系而變化，反之，若認(rèn)為光速c不隨參考系而變化，則t一定隨參考系而變化。若絕對(duì)時(shí)間是正確的，則光速不變必須不成立，反之，若光速不變是真理，則絕對(duì)時(shí)間必須拋棄。正是這對(duì)“矛盾”，促使了經(jīng)典時(shí)空觀向狹義相對(duì)論時(shí)空觀發(fā)展。3.2 愛因斯坦狹義相對(duì)性原理和洛侖茲坐標(biāo)變換一個(gè)正確的理論必須能與實(shí)驗(yàn)相符，經(jīng)得起實(shí)踐的檢驗(yàn)。而許多精確的實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了光速c是不變的，于是，愛因斯坦從事實(shí)出發(fā)，在上述的“矛盾”中選擇了光速不變，從而拋棄了絕對(duì)時(shí)間的概念，對(duì)時(shí)間和空間的性質(zhì)重新進(jìn)行認(rèn)識(shí)。愛因斯坦首先光速不變?cè)磉M(jìn)行了思考，光速不變?cè)硎歉鶕?jù)電磁理論推導(dǎo)出來的，因此，光速要在任何慣性系中都恒定必須有一個(gè)前提，那就是電磁理論首先得在任何慣性系中都成立，且形式不變。針對(duì)這一點(diǎn)愛因斯坦做了兩個(gè)大膽且合理假設(shè)：第一，包括電磁規(guī)律在內(nèi)的所有物理規(guī)律，對(duì)所有慣性系都是一樣的，不存在任何一個(gè)特殊的慣性系。愛因斯坦稱這一假設(shè)為相對(duì)性原理，我們稱之為愛因斯坦狹義相對(duì)性原理（用以區(qū)別后來的廣義相對(duì)論原理）。387第二，在所有的慣性系中，光在真空中的速率都相等。387由于絕對(duì)時(shí)空觀的失效，其“代表作”伽利略坐標(biāo)變換同樣失效了。針對(duì)這一點(diǎn)，現(xiàn)在我們從這兩條假設(shè)出發(fā)，推導(dǎo)出一套新的坐標(biāo)變換公式，用以探討有別于經(jīng)典時(shí)空觀的嶄新的時(shí)空性質(zhì)。之前我們已經(jīng)根據(jù)絕對(duì)時(shí)空觀推導(dǎo)出了伽利略坐標(biāo)變換，仍然在之前所描述下的兩參考系S（O，x，y，z）和S（O，x，y，z）中討論：根據(jù)光速不變的原理，在S系中觀測(cè)，我們可以得到：x=x-ut1-u2c2 （18）在S系中觀測(cè)，我們可以得到：x=x1-u2c2-ut （19）聯(lián)立式（18）和式（19）消去x，我們可以得到：t=t-uc2x1-u2c2 （20）由于垂直于相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度測(cè)量與參考系無關(guān)390，我們可以得到：y=y，z=z （21）將式（19）式（21）寫在一起，就可以得到下面的一組變換公式：x=x-ut1-u2c2，y=y，z=z，t=t-uc2x1-u2c2 （22）式（22）這組公式就是洛倫茲坐標(biāo)變換，我們可以清楚地看出，它是由狹義相對(duì)論時(shí)空觀（光速不變?cè)恚┩茖?dǎo)出來的，這說明時(shí)間和空間的測(cè)量與參考系的相對(duì)速度有關(guān)，即時(shí)間和空間是“相對(duì)的”。洛倫茲坐標(biāo)變換就是狹義相對(duì)論時(shí)空觀的直接反映。3.3 對(duì)時(shí)空性質(zhì)的重新認(rèn)識(shí)-時(shí)間延緩和長(zhǎng)度收縮在S系中觀察某一運(yùn)動(dòng)（或某兩個(gè)事件）的時(shí)間間隔記為t，x軸上某兩位置之間的長(zhǎng)度記為l，在S中觀察同一運(yùn)動(dòng)（或相同某兩個(gè)事件）的時(shí)間間隔為t，相同某兩位置之間的長(zhǎng)度記為l，則根據(jù)洛倫茲坐標(biāo)變換得：t=t1-u2c2 （23）從式（23）中我們可以看出時(shí)間測(cè)量的相對(duì)性，在某個(gè)參考系S中觀察某一運(yùn)動(dòng)（或某兩個(gè)事件）的時(shí)間間隔是t，在另一個(gè)參考系S中觀察同一運(yùn)動(dòng)（或相同某兩個(gè)事件）的時(shí)間間隔為卻t，由于總有u20，我們可以得到：tt （24）從式（24）我們可以看到，相對(duì)于某參考系靜止時(shí)所測(cè)量的時(shí)間是最短的，稱為固有時(shí)。任何相對(duì)于該參考系運(yùn)動(dòng)的其他慣性系，時(shí)間進(jìn)程都延長(zhǎng)了，這個(gè)效應(yīng)稱為時(shí)間延緩。不同參考系導(dǎo)致了不同的時(shí)間間隔，由于參考系的建立總是基于某個(gè)物體之上的，所以時(shí)間進(jìn)程（時(shí)間間隔）跟運(yùn)動(dòng)是密切相關(guān)的，物體A相當(dāng)于與物體B運(yùn)動(dòng)得越快（u越大），則物體A相對(duì)于物體B所經(jīng)歷的時(shí)間進(jìn)程就越長(zhǎng)（t越大）。只有兩者相對(duì)靜止時(shí)，它們所經(jīng)歷