对爱因斯坦相对论变革时空观的思考
作者简介：王瑞（1989.1-），女，河北唐山人，天津大学在读研究生，研究方向科学哲学。
陈新亮（1970.3-），男，汉族，河北怀来人，河北北方学院艺术学院党委书记，公共管理硕士，社会科学副研究员，主要研究方向大学生思想政治教育管理。
摘要：时空观是关于时间和空间的根本看法和根本观点，是自然观的重要组成部分。在科学史上，每一次重大理论的变革往往伴随着新时空观的诞生。在牛顿力学体系中产生的绝对时空观使人们的思维机械化，世间一切皆在做机械运动。20世纪初，相对论诞生于世，从而赋予了时间和空间以崭新的概念，改变了传统的绝对时空观。相对论从根本上改变了人们对时间和空间的看法：时间和空间是紧密联系的，时间、空间和物质密不可分，时空告诉物质怎样运动，物质告诉时空怎样弯曲。相对论革新了旧的牛顿时空观，对科学和哲学产生了巨大的影响。本文先论述前爱因斯坦的牛顿绝对时空观，再阐述爱因斯坦相对论对时空理论的变革，进而说明爱因斯坦相对论变革时空观对科学和哲学的意义。
关键词：时空观；牛顿的绝对时间观和绝对空间观；相对论
时空观，顾名思义，就是对时间和空间的根本看法和根本观点，它构成了哲学上自然观的重要内容和组成部分。随着科学与社会的发展，人们对于时间和空间的认识也在不断地加深。20世纪初发生了现代物理学革命，在这个激动人心的年代里，爱因斯坦相对论的诞生彻底否定了牛顿经典力学体系的绝对时空观，深刻地揭示了时间和空间所具有的本质属性和它们与物质以及物质运动的关系，引起了时空学说的一次重大变革，形成了新的时空观并产生了深远的影响。目前学者们对于爱因斯坦相对论引起时空观变革这一问题的研究已经取得了重大成果，但是对此问题应当有个简明、清晰的系统阐述。本文预从介绍前爱因斯坦的时空观，重点介绍牛顿的绝对时空观入手，进而阐明爱因斯坦相对论变革时空观的内容和意义。
一、对爱因斯坦时空观的概述
从古至今，无论在中国还是在西方，科学上和哲学上的一个大的课题就是关于时间和空间的问题，人们总是在问时间和空间究竟是什么。中国古代就有这样的说法，古往今来为宙，上下四方为宇。显而易见，在这里，“宙”指的是时间，即过去、当今和未来以及白天与黑夜的更替、春夏秋冬的更迭，而这种时间的观念来自于平日里对自然现象的观察和经验的直觉。“宇”则指的是空间，即上下左右前后、东南西北。时间是无始无终的，空间是无边无际的。在西方，许多先哲也思考了时间和空间的问题。
（一）时空观概述
古希腊哲学家德谟克利特认为空间和时间是没有物质的时空，柏拉图则认为时间是在存在之外的。对时间和空间形成系统认识的人，最早是古希腊的亚里士多德，关于时间的问题，亚里士多德提出时间是描述“运动”的“数”，他指出：“变化总是或快或慢，而时间没有快慢。因为快慢是用时间确定的：所谓快就是时间短而变化大，所谓慢就是时间长而变化小；而时间不能用时间确定，也不用运动变化中已达到的量或已达到的质来确定。”[1] 由此可见时间不是运动，而是描述运动的数。亚里士多德认为大地是球形的，地球是宇宙的中心。物体在宇宙中的位置具有关键的作用，每个物体都有各自的天然位置，只要没有阻挡，它们都会到达各自的天然位置。[2] 在当时教会统治人们思想的社会背景下以及当时的社会和科学发展水平，加之亚里士多德的时空观符合人们当时对自然现象的认识，以至于亚里士多德的时空观对人们的思维造成了很长时间的影响。但是，由于科学技术的进步，哥白尼提出了日心说，彻底否定了地球是宇宙中心的说法。到17世纪，伽利略提出了力学相对性原理，亚里士多德的时空观才被伽利略用明确的语言和简单的物理现象所批驳。紧随其后，牛顿提出了绝对时间观和绝对空间观。之后，康德认为时间和空间意识是人类的先天直观形式，而不是从感觉经验中得来的。当然，人们对于时间和空间性质的认识不仅仅停留在哲学层次上，关于时间和空间问题的思考也不只是哲学家所专有的事情。在科学层次上，科学家们也在不断地探索时间和空间的属性，法国科学家彭加勒认为时间和空间都不是先天的，而是为了某种目的约定的。爱因斯坦相对论时空观主要革新了牛顿的绝对时空观，因此重点介绍一下牛顿的绝对时间观和绝对空间观。
（二）牛顿的绝对时空观
牛顿站在巨人的肩膀上，综合了哥白尼和伽利略等人的科学成就，建立了牛顿经典力学体系，并且给他的经典力学理论引入了绝对时间和绝对空间的概念，创立了绝对时间观和绝对空间观。
牛顿为何要引入绝对时间和绝对空间的概念？我们又该如何理解牛顿所定义的绝对时间和绝对空间，想要弄清这些问题就要从牛顿所建立的经典力学说起了。物体的运动状态及其改变是经典力学讨论的主要对象，而万事万物的运动又都离不开时间和空间，都要在一定的时间和空间中进行。[3] 一切运动都是物体本身位置的变化，这样看来位置就用到了空间的含义，变化则用到了速度，也就是用到了时间的含义，所以牛顿的经典力学体系必定要与一定的时间和空间相联系。然而，描述机械运动又必然不能离开参照系，但是并不是所有的参照系都适用于牛顿定律，我们常常把适用于牛顿定律的参照系称之为惯性参照系。那么惯性参照系到底是什么呢，牛顿经典力学本身的理论框架也不能对此给出确切的说明。因此，为了解决这个问题，牛顿便引入了绝对时间和绝对空间的概念。牛顿在其著作《自然哲学的数学原理》中写道：“绝对的、真正的和数学的时间，就其本身和本性来说，均匀地流逝而与任何外在的情况无关。”“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变。”[4] 这里的时间，我们可以形象地把它比拟成永远流逝着的水，也可以把它想象成一根无限延长的线，无论哪样，它都与周围的任何环境无关；而这里的空间，我们也可以把它形象地比拟成一个与任何特殊物质无关的、能够容纳万事万物的、静止的大容器。
牛顿把自己定义的这样的时间和空间称为绝对时间和绝对空间，由此便形成了牛顿的绝对时间观和绝对空间观。对于牛顿绝对时空观的基本思想，主要有下列三个方面。
1.同时性是绝对的
在牛顿的绝对时空观中，同时性是绝对的、无条件的，也就是说，在不同地方发生的两件事情，如果对一个惯性参照系来说是同时发生的，那么无论对其它任何惯性参照系来说必定都是同时发生的。所以，对准过的两个钟表，不管把它们放在任何不同的地方，无论它们是否有相对运动产生，钟表总是同步的。在这个方面上，牛顿的绝对时空观似乎是符合我们的生活经验的。
2.时间是绝对的，空间也是绝对的
在这里，时间是绝对的指的是时间间隔的绝对性。也就是说，如果一个房间的时钟走了十分钟，那么世界上任何时钟都走了十分钟，无论它们在何种运动状态下。而空间也是绝对的指的是空间距离的绝对性。比如说，一根笔的长度，当以某一个参照系测量它是十厘米时，那么从别的参照系测量它时，它也是十厘米，而与参照系的运动状态无关。
3.时间和空间是各自独立，互不相关的并且与物质及其运动无关
按照牛顿绝对时间和绝对空间的观点，时间和空间各不相关，而且时间和空间是脱离物质运动而存在的，时间和空间具有绝对性，这也就是说，时间和空间只是单独的存在，这种存在不受周围任何事物的影响。
牛顿的绝对时间观和绝对空间观是符合我们的生活经验的，并且适用于当时的科学实验，因而人们很容易理解和接受这种观点。随着科学的进步，到19世纪末，麦克斯韦电磁理论发展起来，牛顿的绝对时空观显现出它自身的局限性，牛顿绝对时空观只适用于物体在宏观低速下的运动规律，而对于在微观高速下的运动则无能为力。正是在这种背景下，发生了现代物理学革命，相对论出现在人们眼前。爱因斯坦相对论革新了牛顿的时空理论，创建了新的时空学说。
二、爱因斯坦相对论对时空观的变革
历史上每一次新的时空理论的产生总是离不开科学的发展。19世纪末，当时的物理学界普遍认为物理学的大厦已经落成，正在他们展望物理学的美好前景时，物理学晴朗的天空上却被两朵乌云所笼罩，即“以太漂移的零结果”和“黑体辐射”。由此爆发了现代物理学革命，诞生了相对论和量子力学。爱因斯坦曾说“相对论同时间和空间的理论有密切的关系”[5]。爱因斯坦相对论研究的是关于时间、空间和物质、运动之间的内在联系，由狭义相对论和广义相对论组成。而新的时空观正是以相对论为理论依据的，它认为时间和空间相互影响，彼此不可分离，形成一个四维时空统一体，时间和空间受物质及其运动的影响。从某些方面来说，新的时空理论也就是爱因斯坦的相对论，正是狭义相对论告诉了人们时间和空间与物质运动的密切关系，而广义相对论又进一步告诉了人们时间和空间的性质与物质本身的存在及其分布密不可分。[6]
（一） 狭义相对论对时空理论的革新
自从光的波动说复活以来，物理学家们开始对“以太”问题进行激烈的探讨，后来著名的迈克尔逊—莫雷实验的零结果彻底否定了“以太”的存在，但是这种结果却使更多的物理学家困惑不解。为了更好的解决迈克尔逊—莫雷实验的困惑，1905年，爱因斯坦发表《论运动物体的电动力学》一文，放弃了牛顿的绝对时间和绝对空间概念，提出了光速不变原理和相对性原理这两个基本前提假设，宣告了狭义相对论的诞生，从而形成了新的爱因斯坦时空观。
为了更好的理解爱因斯坦狭义相对论对时空观作了哪些方面的革新，也就是爱因斯坦新的时空观是怎样的，我们首先要来说明一下光速不变原理和相对性原理，因为这两个原理是狭义相对论得以成立的基本前提假设。光速不变原理，指的是不论光的观察者运动与否，光速在真空中都是一样的、不变的，即都是一个常数c；相对性原理，指的是自然规律在所有惯性参照系中，都是一样的、不变的。[7] 只要抛弃牛顿绝对时间的概念，这两条基本原理就能够彼此相容，这样两个惯性参照系之间的时间和空间变换就满足洛仑兹变换。爱因斯坦狭义相对论对时空理论的革新以及爱因斯坦时空的重要性质就包含在这个变换中，主要有下列三个方面。
1.同时性是相对的
依照光速不变原理，狭义相对论认为不同地方的两件事情，在某一惯性参照系中来看，它们是同时发生的，然而相对于这一惯性参照系运动的其它任一惯性参照系来看，它们就不是同时发生的。因而同时性是相对的，时间与物质运动有关。这里需要注意的是，如果发生在同一个地点或者说是同一个点的两个事件，其同时性就是绝对的，与参照系的运动和选择无关。
2. 时间是相对的，空间也是相对的
与牛顿的时空理论不同，爱因斯坦狭义相对论的时空观认为时间间隔是相对的，也就是说，某一个过程中延续的时间在不同的惯性参照系中所测量的结果是不一样的，这是由同时性是相对的自然而然推导出的结果。最能说明这一点的便是大家熟知的运动的时钟会变慢，即时间延缓效应，它主要说的是对于每一位观察者来说，都有他们自己的时间测度，如果在天空中有一个高速飞驰的时钟，那么它对于地面上静止不动的观察者而言，钟的时间走的慢了，并且时钟飞驰运动得速度越快，钟的时间走得就越慢，这就反映了时间是相对的。
空间也不是牛顿时空理论中所认为的那样是绝对的，空间也是相对的，长度的相对性就证明了空间是相对的。也就是说，同样的一把尺子，根据所选择的惯性参照系，它们的长度是不一样的。假如A尺子是运动的，速度近于光速时，那么B尺子就会看到A尺子缩短了。[8] 这就是著名的运动的尺子要缩短，即空间收缩效应。这个效应表示空间的大小是相对的。
这两个时间和空间效应都是相对论的一种效应，它主要归结于时间和空间所具有的基本属性，这与牛顿的绝对时空观是不同的。但是这些效应又是很难被日常生活中的我们所理解的，因为这些效应都是在速度接近光速的高速运动过程中产生的，而我们通常生活在低速运动中。
3. 时间和空间是紧密相联的，并且与物质运动密不可分
在牛顿绝对时空观中，时间均匀流逝，不受任何外在环境影响，空间则是个与任何事物无关的、静止不动的容器。而爱因斯坦狭义相对论的时空学说认为时间和空间不能各自独立存在，时间与空间是紧密联系的。一个物体的长宽高表明它的空间，可却是以时间为尺度的；太阳所在位置的不同则表明时间的不同。时间和空间与物质运动更是不可分开的，时间和空间的性质要通过物质运动表现出来。时间和空间是运动着的物质的存在方式，时间是物质运动的连续，空间则是物质运动的延伸。离开物质运动而独立存在的时间和空间是毫无意义的。
（二）广义相对论对时空理论的革新
爱因斯坦狭义相对论的创建，引发了时空理论的变革，但他随之发现这种狭义相对论时空观与牛顿的万有引力定律是不相容的，于是，他又开始研究引力问题。1916年，爱因斯坦以惯性质量与引力质量相等为基础，提出了著名的等效原理和广义协变原理，创立了广义相对论。广义相对论把引力看成一个弯曲的时空，而不再把引力看成是一种力。等效原理和广义协变原理构成了广义相对论的主要内容，等效原理说的是，一个运动在含有引力场的惯性系中和在加速度系统中是完全相同的，即存在引力场的惯性系等效于加速度的非惯性系；广义协变原理是把相对性原理从惯性系推广到了非惯性系，即在任何参照系中，自然界的规律都是相同的，与我们所选择的参照系无关。
依据广义相对论，空间是一个服从黎曼几何的弯曲空间，空间弯曲的程度取决于物质本身在空间的分布。物质分布越密集的地方，引力场的强度就越大，时空弯曲得也就越厉害。因而，广义相对论告诉人们，时间和空间的性质与物质本身的分布也是紧密相关的。“物质告诉时空怎样弯曲，时空告诉物质怎样运动”[9]。时间和空间与物质息息相关，时间、空间和物质构成了一个有机整体。这就是广义相对论对时空理论所作的进一步变革。
总之，爱因斯坦相对论革新了旧的牛顿力学的时空观，建立起了爱因斯坦相对论的时空观，是时空理论上的一次史无前例的巨大变革。正是爱因斯坦相对论改变了人们以往对时间和空间的理解。狭义相对论只适用于惯性系，它的时空背景是欧几里得的平直时空，狭义相对论的时空观使人们认识到时空都不是绝对的而是相对的，时空不能脱离彼此而独立存在，时空和物质运动也是密不可分的；而广义相对论则适用于一切参考系，它的时空背景是黎曼几何的弯曲空间，广义相对论的时空观使人们进一步认识到时间和空间的性质还与物质本身的分布有关，物质告诉时空怎样弯曲，时空告诉物质怎样运动，从而说明了时间—空间与物质的统一性。无论怎样，爱因斯坦相对论所引起的时空观变革都产生了深远的影响，都具有无可比拟的意义。
三、爱因斯坦相对论变革时空观的意义
19世纪末20世纪初，在物理学史上，那是一个既光明又黑暗的时期，但就是这样的一个时期，却发生了一场影响深远的现代物理学革命，诞生了相对论和量子力学，使之成为了一个激动人心的年代。[10] 爱因斯坦相对论对时空理论所作的变革无论是在当时还是在日后，都对科学和哲学产生了不可磨灭的影响，意义巨大。
（一）在科学上，推动了物理学和科学技术的发展
时空观的变革与科学尤其是物理学的发展是相辅相成的，物理学的发展推动了人们对时间和空间性质的认识，而每一次时空理论的新变革又都是物理学进一步发展的基本前提和主要标志。爱因斯坦相对论对时空观所作的变革无疑是巨大的，它推进了现代物理学革命，为现代物理学的发展奠定了理论基石，从而推动了科学技术的发展。[11] 可以说，爱因斯坦相对论时空观的出现是世纪之交中的创举之一。
在爱因斯坦狭义相对论时空观中，不仅否定了牛顿经典力学体系中关于时间和空间的概念及其之间的关系，还赋予了质量和能量及其之间的关系以全新的含义。质量并不是绝对不变的，物体在运动速度近于光速时，质量就会接近无穷大；质能关系式则告诉人们质量和能量也不是单独存在的，而是一个质能统一体，质量守恒定律与能量守恒定律是融合在一起的，这就为原子核物理学的发展和应用开辟了新天地。爱因斯坦广义相对论时空观使人们开始对宇宙时空产生了浓厚的兴趣，是人们关于天文学中时空理论的一次大变革。所有这些变革都毫无疑问的促进了自然科学的发展。
（二）在哲学上，丰富和发展了辩证唯物主义时空观
爱因斯坦相对论对时空理论的变革不只是对物理学和科学有重大意义，并且在哲学方面也具有无法比拟的影响，可以说，爱因斯坦相对论时空观本身就具有哲学的意味。
爱因斯坦相对论时空观认为时间和空间之间是互相关联的，时间和空间作为客观存在是绝对的，但同时又是相对的。物质本身以及物质运动与时间和空间是不可分割的，离开任意一方谈论彼此都是没有意义的。这就说明了时间、空间和物质三者之间存在的联系，揭示了时空是运动着的物质的存在方式，改变了人们以往对时空与物质关系的认识，从而有力的批判了机械唯物主义中把时间和空间与物质及其运动割裂开来的形而上学时空观。[12] 爱因斯坦相对论对时空观的变革进一步丰富和发展了辩证唯物主义时空观。
爱因斯坦相对论对时空观的变革还提高了人们的认识能力，使人们的思维方式发生了深刻的变化。爱因斯坦曾说：“世界上可能只有12个人能够看懂相对论，但是世界上却有几十亿人借此明白没有什么是绝对的”[13]。从此人们开始认识到：对于同样的一个事物，如果不同的人从不同的角度来看，就会产生不同的结果，任何事物都不是绝对的。所以我们要用相对的眼光来看问题，而不能用绝对的眼光来看问题。世界上任何事物都不是绝对存在的，它们都是相对存在的。“长”相对于“短”而存在，“大”则是相对于“小”而言的。因此，我们不能再用牛顿绝对时空观中的机械思维来思考问题，而要以爱因斯坦相对论时空观所揭示的哲学思维来思考问题。
综上所述，通过对爱因斯坦相对论变革时空观的思考，我们不难发现，无论是在科学上，还是在哲学上，爱因斯坦相对时空观都有巨大的推动作用，它对人类社会产生了深远的影响。正是爱因斯坦相对论对时空观的变革将我们带入了一个不一样的时空世界，这个世界不再是牛顿所描述的绝对时间和绝对空间的世界，在这里我们要学会用更加开放的思维和眼光来看待它。爱因斯坦相对论时空观取代旧的牛顿时空观，不管是在科学上还是哲学上都是时空理论的一次巨大的变革。然而，任何事物都不是绝对的，当然也就不存在绝对真理，随着科学的不断发展进步，不久的将来一定会产生新的时空观，使时空世界更加绚丽多彩。（作者单位：1. 天津大学；2. 河北北方学院艺术学院）
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