牛顿时空观的局限性与广义相对论的革命性

众所周知，人类生活在四维时空中。日常生活的经验告诉我们，四维时空由一维的“时间”和三维的“空间”构成。关于空间和时间的本质，人类已经经历了三次变革。最早，从人类诞生到牛顿诞生，人类对宇宙的认识是朦胧的，含混不清的，只知道日出东方，日落西山，一天又一天，一年又一年，“送走了太阳，迎来了月亮”“人有悲欢离合，月有阴晴圆缺”，天圆地方，根本没有空间和时间的概念。1643年1月4日，牛顿诞生了，出生在英国的一个贫穷的小乡村里。牛顿还没出生时，他的父亲就去世了；三岁时母亲改嫁，从此他便随外祖母生活。舅父给了他良好的启蒙教育，12 岁进入格兰瑟中学，酷爱读书，善于思考，对大自然各种现象有特别的好奇心。1661年，牛顿进入剑桥大学三一学院，1687年发表论著《自然哲学的数学原理》。书中他利用自己创立的微积分不仅阐述了牛顿运动三定律，而且详细论证了万有引力定律，探讨了时间和空间的本质。牛顿在《光学》一书中发现了白光分解现象以及一系列经典光学规律，提出了光的微粒说。1703年他担任英国皇家学会会长，直到1727年逝世。牛顿是世界最著名的数学家、物理学家、天文学家，是人类科学史上的集大成者。牛顿认为，时间和空间是各自独立的，它们与物质毫不相干；空间是盛放万物的容器，它是处处平直的、均匀的；时间也是平直的、均匀的，它在均匀地流逝。“逝者如斯夫，不舍昼夜”。这是人类关于时空的第一个观念。牛顿的均匀时空观统治人类200 多年，人们总认为牛顿时空观是符合实际的、正确的。

1879年3月14日，一位犹太裔德国物理学家爱因斯坦于乌尔姆市诞生了。1900年，爱因斯坦毕业于苏黎世联邦理工学院，1905年他荣幸地获得苏黎世大学哲学博士学位。同年，他以自己提出的光子假设成功地解释了光电效应，证明了光的粒子性，并因此获得1921年的诺贝尔物理奖。他还在1905年根据光速不变原理和狭义相对性原理创立并发表了狭义相对论。

狭义相对论认为，时间和空间并不是相互独立的，一维时间和三维空间构成一个四维时空整体。没有绝对的时间，也没有绝对的空间，它们都随物体的运动而发生伸缩效应。具体说来，按照洛伦兹变换

物体在运动方向上长度收缩，相对运动的钟比相对静止的钟走得慢。这种现象称作尺钟效应。尺钟效应用公式表示为

例如，静止在地面上的钢丝长100 米，如果沿长度方向以0.6c（c是光速）的速度运动，静止在地面上的人测量这根钢丝的长度只有80米。再如，孪生兄弟二人在他们三岁时，哥哥乘坐光子火箭作星际旅行，速度为0.8c，弟弟仍在地球上闲坐家中。弟弟星际旅行48年又回到家中，这时弟弟51 岁，哥哥却83 岁了。正是“天上才数月，地上已千年”。

1915年爱因斯坦创立并发表了广义相对论。该理论以等效原理和广义相对性原理为前提，认为时空不是平直的，而是弯曲的；弯曲的程度取决于物质的能量-动量张量在空间的分布，而时空的弯曲程度又反过来决定物质的运动轨迹。根据物质分布和时空的关系，得到了著名的爱因斯坦场方程(www.xing528.com)

在时空曲率很小时，爱因斯坦场方程可以退出万有引力定律和牛顿运动定律。广义相对论的预言，包括水星近日点的反常进动，光线的引力偏折，雷达回波延迟，引力红移以及引力波、中子星、白矮星、黑洞全部被天文观测和实验所证实。由此引发的黑洞物理、大爆炸宇宙学、量子引力等学科方兴未艾。那么，广义相对论是如何认识时间和空间的呢？爱因斯坦认为，时间和空间并不是各自独立的，而是相互关联、密不可分的；空时不是平直的，而是弯曲的；物质的存在把空时弄弯曲了。地球绕着太阳公转，本质上是地球在太阳周围的弯曲空时中作惯性运动。这是人类关于时空的第二个观念，是对牛顿空时观的革命。

爱因斯坦淡泊名利，热爱和平，关心贫苦百姓，反对法西斯战争，其渊博的学识、创新的精神、高尚的品德受到世界人民的尊敬和爱戴。

图6.1　爱因斯坦、牛顿和威腾

超弦理论中的时空是超对称时空，是人类关于时空的第三个观念，是对牛顿空时理论的二次革命。超弦理论是由维尼齐亚诺先生偶然发现的，经过约翰·施瓦兹和格林等人多年坚持不懈的努力而发展成为一个内容丰富、结构严谨、具有重大创新思想的比较完备的理论，后经爱德华·威腾先生发扬光大为比较完美的理论。所谓超对称，指玻色子与费米子之间的对称。在超对称物理中，所有粒子都有自己的超对称伙伴粒子，它们与原粒子具有相同的电荷、重子数、色荷等。玻色子与费米子互为超对称伙伴。超对称理论预言了“超引力”的存在。超引力理论认为，引力作用由自旋为2的引力子（一种玻色子）传递，引力子的超伙伴是一种自旋为3/2的引力中微子。在超弦理论的基础上，爱德华·威腾提出了M-理论。M-理论是超弦理论的继续和发展。该理论认为，时间有两种：一种是具有方向箭头，遵守熵增原理的“时间”，其起点是宇宙诞生的那一刻，M-理论是宇宙终结的那一刻，至今宇宙已经存在137亿年。另一种是“虚时间”，它没有始点和终点而将永久存在下去，用于描述超弦，乃一条无矢坐标轴。超弦理论的空间为9维，加上1维时间，共10维；由于6个空间维卷缩了，所以人类仅仅感觉到4维时空。当代物理学家为了解释暗物质和暗能量而进一步认为，可见物质，包括日月星辰、沙粒尘埃、费米子玻色子，存在于可视宇宙中，而暗物质存在于与可视宇宙平行的另一个宇宙中，这二者仅通过引力子相联系。当然，这一理论目前尚无任何实验观测证据。

那么，究竟什么是时空呢？时空是物质的呈现。由于物质存在的形式不同，所以存在不同的时空。