三體科幻

哲學(xué)上，空間和時(shí)間的依存關(guān)系表達(dá)著事物的演化秩序。

時(shí)、空都是絕對(duì)概念，是存在的基本屬性。但其測(cè)量數(shù)值卻是相對(duì)于參照系而言的。

“時(shí)間”內(nèi)涵是無(wú)盡永前；外延是各時(shí)刻順序或各有限時(shí)段長(zhǎng)短的測(cè)量數(shù)值。

“空間”內(nèi)涵是無(wú)界永在，外延是各有限部份空間相對(duì)位置或大小的測(cè)量數(shù)值。

因?yàn)樵讵M義相對(duì)論中，光速是測(cè)量時(shí)、空的共同尺子，時(shí)、空的變化在此共尺上表現(xiàn)依存規(guī)律，即遵從洛倫茲變換。所以，時(shí)、空的測(cè)量數(shù)值是相對(duì)于具體慣性系的，如同時(shí)性在測(cè)量上不是絕對(duì)的，相對(duì)于某一參照系為同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，相對(duì)于另一參照系可能并不同時(shí)發(fā)生；長(zhǎng)度和時(shí)段在測(cè)量上也不是絕對(duì)的，運(yùn)動(dòng)的尺相對(duì)于靜止的尺變短，運(yùn)動(dòng)的鐘相對(duì)于靜止的鐘變慢。光速在狹義相對(duì)論中是絕對(duì)量，對(duì)于任何慣性參照系光速都是常量c

第1點(diǎn) 內(nèi)涵關(guān)系

時(shí)、空、質(zhì)在內(nèi)涵上是既各自獨(dú)立又相互聯(lián)系著的三個(gè)絕對(duì)概念。時(shí)間公理、空間點(diǎn)分理、質(zhì)量總體分理表達(dá)了它們的各自獨(dú)立性，而空時(shí)關(guān)系分理和質(zhì)空關(guān)系分理則表達(dá)了它們的相互聯(lián)系性?？諘r(shí)關(guān)系分理和質(zhì)空關(guān)系分理表明U=U(T)和M=M(U)，即空間所經(jīng)歷者為時(shí)間和質(zhì)量所充滿者為空間，就是說(shuō)：“時(shí)空隨質(zhì)度”。質(zhì)量是三要素中的原生要素，沒(méi)有質(zhì)量就沒(méi)有空間，沒(méi)有空間就沒(méi)有時(shí)間，如果采用老子道德經(jīng)的詩(shī)化描述，則有：原生質(zhì)，質(zhì)生空，空生時(shí)，時(shí)生萬(wàn)物。

第2點(diǎn) 測(cè)量關(guān)系

時(shí)空質(zhì)的外延部份涉及到其數(shù)值測(cè)度問(wèn)題，其測(cè)度數(shù)值都是相對(duì)于參照系的，而且都只能夠是近似值。測(cè)度時(shí)空質(zhì)的數(shù)值是科學(xué)上要具體解決的問(wèn)題。在愛恩斯坦以前是在虛擬靜止參照系下分別測(cè)度的，具體了它們的各自獨(dú)立性；愛恩斯坦增加了在實(shí)際運(yùn)動(dòng)參照系下的共尺測(cè)度方法，具體了它們的相互聯(lián)系性。

時(shí)空質(zhì)的依存關(guān)系確立了事物的演化秩序。如果在測(cè)度上以絕對(duì)常量光速c為共尺，此秩序可由以下愛因斯坦狹義相對(duì)論公式具量表達(dá)：

T=γ(t-vr/c^2)，動(dòng)時(shí)間T，靜時(shí)間t， 相對(duì)運(yùn)動(dòng)下鐘變慢；

R=γ(r-vt)， 動(dòng)距離R，靜距離r， 相對(duì)運(yùn)動(dòng)下尺變短；

M=γm， 動(dòng)質(zhì)量M，靜質(zhì)量m，相對(duì)運(yùn)動(dòng)下質(zhì)變大。

其中γ=1/√(1-v^2/c^2)

用絕對(duì)常量去測(cè)度各種變量以求取變量間的函數(shù)關(guān)系，是人類的小智慧；而用無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)空質(zhì)尺子去測(cè)度“歷時(shí)有盡”的事件和“占空有界”的物件以創(chuàng)造萬(wàn)事萬(wàn)物，則是宇宙的大智慧。人類若能夠從中有所領(lǐng)悟，必能夠走出“相對(duì)”的迷宮，步入“絕對(duì)”的圣境。

宇宙三公理

在《宇宙哲學(xué)》中，人類的所有概念都可以由下述三條公理直接定義或演繹定義

一、時(shí)間公理：時(shí)間無(wú)盡永前。表達(dá)式：T={t∈(-∞,+ ∞)}∩{△t>0}。

時(shí)間公理分為時(shí)刻分理和時(shí)段分理兩部份。

1、時(shí)刻分理：t∈(-∞,+ ∞)為“無(wú)盡”，指“時(shí)間沒(méi)有起始和終結(jié)”。

時(shí)刻無(wú)限多、刻刻不同是時(shí)間本性之一。t為時(shí)刻，其測(cè)量數(shù)值為實(shí)數(shù)。

2、時(shí)段分理：△t>0為“永前”，指“時(shí)間的增量總是正數(shù)”。

時(shí)段單向延續(xù)是時(shí)間本性之二。△t為時(shí)段，其測(cè)量數(shù)值為大于0的實(shí)數(shù)。

二、空間公理：空間無(wú)界永在。表達(dá)式：U={r∈[0,+ ∞)}∩{r=ct}。

空間公理分為點(diǎn)分理與空時(shí)關(guān)系分理兩部份。

1、點(diǎn)分理：r∈[0,+ ∞)為“無(wú)界”，指“空間里任一點(diǎn)都居中”。

點(diǎn)數(shù)無(wú)限多、點(diǎn)點(diǎn)不同又點(diǎn)點(diǎn)平權(quán)是空間本性。這里點(diǎn)P=(r,θ,φ )[球坐標(biāo)]，r為P點(diǎn)到球坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離，其測(cè)量數(shù)值為非負(fù)實(shí)數(shù)，θ∈[0,π]，φ∈[0,2π]。

2、空時(shí)關(guān)系分理：r=ct為“永在”，指“空間永現(xiàn)于當(dāng)前時(shí)刻”。

任何空間點(diǎn)都必然出現(xiàn)在當(dāng)前時(shí)刻是空間與時(shí)間的基本關(guān)系。這里c為光速常量。因?yàn)楦鶕?jù)狹義相對(duì)論中的四維時(shí)空概念，時(shí)空間隔ct－r=0是不變量，即時(shí)間和空間之間沒(méi)有間隔，所以r=ct表示P點(diǎn)是光即時(shí)到達(dá)之點(diǎn)，也就是表示“空間永現(xiàn)于當(dāng)前時(shí)刻”。

三、質(zhì)量公理：質(zhì)量無(wú)限永有。表達(dá)式：M={m∈( 0,+ ∞)}∩{(dρ)_η≠(dρ)_0}。

質(zhì)量公理分為總體分理和質(zhì)空關(guān)系分理兩部份。

1、總體分理：m∈(0,+ ∞)為“無(wú)限”，指“宇宙的總質(zhì)量無(wú)限大”。

總質(zhì)量無(wú)限大是質(zhì)量本性。這里m為靜質(zhì)量。

2、質(zhì)空關(guān)系分理：(dρ)_η≠(dρ)_0為“永有”，指“永不均勻地布滿空間”

“宇宙空間內(nèi)的任何部份都充滿著質(zhì)量，不存在不含質(zhì)量的純空，但各點(diǎn)的微密度都不相同”，這是質(zhì)量與空間的基本關(guān)系。(dρ)_0為任意指定一空間點(diǎn)的密度，(dρ)_η為其他的任意空間點(diǎn)的密度，(dρ)_η≠(dρ)_0表示每點(diǎn)的微密度都不相等，就是說(shuō)“質(zhì)布空間永不均”。這里密度ρ=m/u，微密度dρ=dm/du，其中dm 為無(wú)窮小的質(zhì)元；du為無(wú)窮小的空元，其中u為域積，包括點(diǎn)、線、面、體之積；η為正整數(shù)。 “質(zhì)布空間永不均”在量子力學(xué)上表達(dá)為“測(cè)不準(zhǔn)原理”注1。著名的布朗運(yùn)動(dòng)就是由“質(zhì)布空間永不均”造成的注2。

為了便于牢記，以詩(shī)表之：

《宇宙三公理》

增量恒為正，時(shí)間沒(méi)始終?？臻g存現(xiàn)在，點(diǎn)點(diǎn)可居中。

質(zhì)量無(wú)窮大，不均布滿空。時(shí)空隨質(zhì)度，生滅理相同。

時(shí)間、空間、質(zhì)量的定義

時(shí)間、空間、質(zhì)量合稱宇宙三要素，分別簡(jiǎn)稱時(shí)、空、質(zhì)

這三要素的定義概括了所有人類學(xué)科關(guān)于時(shí)間、空間、質(zhì)量定義的內(nèi)涵和外延。時(shí)、空、質(zhì)定義中的內(nèi)涵分別就是時(shí)間公理、空間公理、質(zhì)量公理，外延則由各自內(nèi)涵的本性分理分別演繹推導(dǎo)得出：因?yàn)椤叭裏o(wú)”，所以時(shí)空質(zhì)的每部份都有限可測(cè)，但部份數(shù)卻都可以無(wú)限多。內(nèi)涵表達(dá)了時(shí)空質(zhì)之尺都是無(wú)限長(zhǎng)的，外延分別表達(dá)了時(shí)間可以任分時(shí)刻以分段并測(cè)量各段長(zhǎng)、空間可以任分區(qū)域并測(cè)量各區(qū)域大小、質(zhì)量可以任分部分并測(cè)量每部份數(shù)值的多少。根據(jù)時(shí)空質(zhì)的定義可以推導(dǎo)出時(shí)空質(zhì)分別由其素元所積成

第1點(diǎn) 時(shí)間

內(nèi)涵T={t∈(-∞,+∞)}∩{△t>0}；外延T=∑(t∪→△t)_n=∑t_n∪∑→△t_n。

即內(nèi)涵是無(wú)盡永前；外延是各時(shí)刻順序或各有限時(shí)段長(zhǎng)短的測(cè)量數(shù)值。

(t∪→△t)_n表示時(shí)間的任一有限部份，即每部分都是有限的但部份數(shù)卻可以無(wú)限多。式中的t_n表示第n時(shí)刻值，△t_n表示第n時(shí)段的長(zhǎng)度值?！鱰_n表示第n時(shí)段，其中→△t=△t→l=(t1－t)→l，其中→l是單位向量，表示時(shí)刻只有增加的方向，即表示時(shí)段的唯一方向，又其中t1是后時(shí)刻或現(xiàn)在時(shí)刻值，t是前時(shí)刻或過(guò)去時(shí)刻值。

甲、時(shí)間外延的演繹推導(dǎo)：

A、∵t∈(-∞,+∞)[時(shí)刻無(wú)限多、刻刻不同]∴t_n∈(-∞,+ ∞)[t_n表示可以任意選定坐標(biāo)系并任意選取n多個(gè)時(shí)刻值以比較其先后順序]。

B、∵t∈(-∞,+∞)∩△t>0[時(shí)刻無(wú)限多、刻刻不同且時(shí)段單向延續(xù)]∴△t_n>0，即存在→△t_n [→△t_n表示可以任意選取n多個(gè)段長(zhǎng)有限的單向時(shí)段以比較其長(zhǎng)短]。

內(nèi)涵表達(dá)了時(shí)間之尺是無(wú)盡永前的，外延表達(dá)了時(shí)間可以任意分刻測(cè)位或分段測(cè)長(zhǎng)

乙、時(shí)間推論的演繹推導(dǎo)：

時(shí)間由時(shí)元積成：t=∫dt。

其中時(shí)元dt=t1－t→0，dt的前時(shí)刻t為dt的極限值。

證明：∵△t>0[任選時(shí)段都大于0]∴△t=t1－t→0=dt[△t可以無(wú)窮小]，∴t=∫dt。

因?yàn)闀r(shí)間的上述特性，所以我們才能夠用不同的單位來(lái)測(cè)量時(shí)刻和時(shí)段的值。如物理學(xué)在國(guó)際單位制（SI）中，把測(cè)量時(shí)間的基本單位秒(s)定義為：銫-133的原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能階間躍遷對(duì)應(yīng)輻射的9,192,631,770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間；在天文學(xué)上的歷書時(shí)中又把秒(s)定義為：1900年1月0日12時(shí)正回歸年長(zhǎng)度的1/31﹐556﹐925.9747；在生活中又常用毫秒ms、分min、小時(shí)h、日（天）d等等時(shí)間單位。

因?yàn)闀r(shí)間的上述特性，所以我們研究宇宙各部份變化規(guī)律的所有學(xué)問(wèn)才可能產(chǎn)生。

因?yàn)闀r(shí)間的上述特性，所以在宇宙中萬(wàn)事萬(wàn)物才可能產(chǎn)生、變化和消亡

第2點(diǎn) 空間

內(nèi)涵U={r∈[0,+∞)}∩{r=ct}；外延U=∑(→r∪u)_n=∑→r_n∪∑u_n

即內(nèi)涵是無(wú)界永在，外延是各有限部份空間相對(duì)位置或大小的測(cè)量數(shù)值。

(→r∪u)_n表示空間的任一有限部份，即每部份都是有限的但部份數(shù)卻可以無(wú)限多。式中的r_n表示第n個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，u_n表示第n個(gè)有限點(diǎn)群大小的域積。

甲、空間外延的演繹推導(dǎo)：

A、∵r∈[0,+∞)[點(diǎn)數(shù)無(wú)限多、點(diǎn)點(diǎn)不同又點(diǎn)點(diǎn)平權(quán)]∴r_n≥0[[r_n表示可以任意選定坐標(biāo)系并選取n多個(gè)點(diǎn)位數(shù)值以比較其位置的相對(duì)方位]。

B、∵r_n≥0[可以任意選點(diǎn)] ∴u_n>0[u_n表示互相聯(lián)結(jié)著的點(diǎn)可以合而為一有限的點(diǎn)群區(qū)域，并且可以任意選取n多個(gè)點(diǎn)群以比較其大小]

內(nèi)涵表達(dá)了空間之尺是無(wú)界永在的，外延表達(dá)了空間可以任意劃分區(qū)域并測(cè)度各區(qū)域大小

乙、空間推論的演繹推導(dǎo)：

空間由空元積成：u=∫du。

證明：∵u_n>0 [任選區(qū)域都可以無(wú)窮小] 即存在空元du，∴u=∫du。

因?yàn)榭臻g的上述特性，所以我們才能夠用不同的單位來(lái)測(cè)量空點(diǎn)相對(duì)位置和空域具體大小的值。如物理學(xué)上把測(cè)量長(zhǎng)度的基本單位米(m)定義為：光在真空中行進(jìn)1/299 792 458秒的距離，而常用的單位還有千米（km），分米（dm），厘米（cm），毫米（mm）微米（μm）納米（nm）等等。又如中國(guó)的里、丈，英國(guó)的英寸、碼，航空航海上的海里、節(jié)等等。在計(jì)算面積、體積時(shí)也一樣可以使用不同的單位

因?yàn)榭臻g的上述特性，所以我們才能夠把空間分解為不同的部份并研究它們之間的關(guān)系，產(chǎn)生了幾何學(xué)、代數(shù)學(xué)和邏輯學(xué)。這一點(diǎn)在下面第三篇有關(guān)幾何學(xué)、代數(shù)學(xué)和邏輯學(xué)的章節(jié)中有具體的論述。

第3點(diǎn) 質(zhì)量

內(nèi)涵M={m∈(0,+∞)}∩{dρ_η≠dρ_0}；外延M=∑m_n=∑(ρu)_n

即內(nèi)涵是無(wú)限永有，外延是各有限部份空間內(nèi)填充內(nèi)容多少的測(cè)量數(shù)值。

m_n表示質(zhì)量的第n有限部份的靜質(zhì)量值，即每部份的靜質(zhì)量都是有限的但部份數(shù)卻可以無(wú)限多。

甲、質(zhì)量外延的演繹推導(dǎo)：

∵m∈(0,+∞)[總質(zhì)量無(wú)限大]∴m_n>0 [m_n表示可以任意選取n多個(gè)有限部份以比較其多少]。

內(nèi)涵表達(dá)了質(zhì)量之尺是無(wú)限永有的，外延表達(dá)了質(zhì)量可以任意分部并測(cè)度各部份數(shù)值的多少。

乙、質(zhì)量推論的演繹推導(dǎo)：

質(zhì)量由質(zhì)元積成：m=∫dm

證明：∵m_n>0 [任選部份都可以無(wú)窮小] 即存在質(zhì)元dm，∴m=∫dm

因?yàn)橘|(zhì)量的上述特性，所以我們才能夠用不同的單位來(lái)測(cè)量具體物體所含質(zhì)量多少的值。如物理學(xué)在國(guó)際單位制中的基本單位千克( Kg):純水在4℃時(shí)的質(zhì)量、中國(guó)的斤、英國(guó)的磅等等。

因?yàn)橘|(zhì)量的上述特性，所以我們才能夠通過(guò)化學(xué)研究找到分子和原子，才能夠通過(guò)粒子物理學(xué)的研究找到質(zhì)子、中子、電子、夸克等微觀粒子。這一點(diǎn)在下面第三篇關(guān)于化學(xué)、粒子物理學(xué)的章節(jié)中有具體的論述。

因?yàn)橘|(zhì)量永不均勻地布滿空間，分布狀態(tài)在隨時(shí)地變動(dòng)著，所以質(zhì)量在改變空間的分布狀態(tài)時(shí)便產(chǎn)生了物理學(xué)上稱之為慣性或萬(wàn)有引力的可測(cè)量現(xiàn)象。這一點(diǎn)在下面第三篇關(guān)于牛頓力學(xué)和量子力學(xué)的章節(jié)中有具體的論述。

從上述三素各自的推論可知：時(shí)元值dt、空元值du、質(zhì)元值dm都是無(wú)窮小變量,所以我們對(duì)時(shí)間（時(shí)刻、時(shí)段）、空間（點(diǎn)位置、距離、面積、體積）、質(zhì)量（靜質(zhì)量、動(dòng)質(zhì)量）等的具體測(cè)量數(shù)值都只能夠是近似值，這一點(diǎn)已經(jīng)為量子力學(xué)上的“測(cè)不準(zhǔn)原理所體驗(yàn)、測(cè)得

伽利略相對(duì)性打破了牛頓的絕對(duì)空間概念。力學(xué)相對(duì)性原理（伽利略相對(duì)性）要求物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律中必定不含有絕對(duì)速度，亦即絕對(duì)速度是無(wú)法測(cè)定的，否定了牛頓絕對(duì)空間的存在。

牛頓曾經(jīng)對(duì)絕對(duì)空間的不存在感到非常憂慮，因?yàn)榕c其絕對(duì)上帝的觀念不一致。事實(shí)上，即使絕對(duì)空間的不存在隱含在其定律中，牛頓也會(huì)拒絕接受。因?yàn)檫@個(gè)非理性的信仰，牛頓受到許多人的嚴(yán)厲批評(píng)，最有名的是貝克萊，他是一個(gè)相信所有的物質(zhì)實(shí)體、空間和時(shí)間都是虛妄的哲學(xué)家。

亞里士多德和牛頓都相信絕對(duì)時(shí)間，相信人們可以準(zhǔn)確地測(cè)量?jī)蓚€(gè)事件之間的時(shí)間間隔。時(shí)間和空間是完全獨(dú)立的。

相對(duì)論改變了空間和時(shí)間的觀念，否定了絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間。引力的作用就在于使空時(shí)變成彎曲的，而不再是經(jīng)典力學(xué)中的無(wú)限延伸的歐幾里得幾何的絕對(duì)空間和無(wú)限延伸的閔可夫斯基空間[1] 。廣義相對(duì)論揭示存在空間-時(shí)間客體，指出空間-時(shí)間的性質(zhì)與物體運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系

愛因斯坦提出了革命性的思想，即引力不像其他種類的力，空間-時(shí)間是由于其質(zhì)量和能量的分布而扭曲，造成空間-時(shí)間結(jié)構(gòu)不是平坦的事實(shí)。對(duì)空間-時(shí)間新的理解是宇宙觀的革命。

量子論的發(fā)展，對(duì)時(shí)間概念提出了更根本的問(wèn)題。量子論認(rèn)為對(duì)于一個(gè)體系在過(guò)去可能存在于什么狀態(tài)的判斷結(jié)果，決定于在現(xiàn)今的測(cè)量中做怎樣的選擇。所以，除非一個(gè)體系的過(guò)去狀態(tài)已經(jīng)被記錄，不能認(rèn)為體系的歷史是獨(dú)立于現(xiàn)今的選擇而存在于過(guò)去的時(shí)間中。這種現(xiàn) 在與過(guò)去之間的相互關(guān)系，與因果順序概念十分不同，暗含于時(shí)間概念中的因果序列要求過(guò)去的存在不依賴現(xiàn) 在。量子論還表明，在10－33厘米、10－43秒這樣小的時(shí)空尺度中，描寫事件順序的“前”“后”概念將失去意義。因此，用時(shí)間來(lái)描述事件發(fā)生的順序，可能并不總是合用的?？臻g與時(shí)間是事物之間的一種次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一種近似

空間和時(shí)間是指事物之間的一種次序?？臻g用以描述物體的位形；時(shí)間用以描述事件之間的順序。空間和時(shí)間的物理性質(zhì)主要通過(guò)它們與物體運(yùn)動(dòng)的各種聯(lián)系而表現(xiàn)出來(lái)。

在物理學(xué)中，對(duì)空間和時(shí)間的認(rèn)識(shí)可以分為三個(gè)階段：經(jīng)典力學(xué)階段、狹義相對(duì)論階段及廣義相對(duì)論階段。

在經(jīng)典力學(xué)中，空間和時(shí)間的本性被認(rèn)為是與任何物體及運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的，存在著絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間。牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中說(shuō)：“絕對(duì)空間，就其本性來(lái)說(shuō)，與任何外在的情況無(wú)關(guān)。始終保持著相似和不變?！?，“絕對(duì)的、純粹的數(shù)學(xué)的時(shí)間，就其本性來(lái)說(shuō)，均勻地流逝而與任何外在的情況無(wú)關(guān)”。另一方面，物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和規(guī)律，卻與采用怎樣的空間和時(shí)間來(lái)度量它有著密切的關(guān)系。相對(duì)于絕對(duì)空間的靜止或運(yùn)動(dòng)，才是絕對(duì)的靜止或運(yùn)動(dòng)。只有以絕對(duì)空間作為度量運(yùn)動(dòng)的參考系，或者以其他作絕對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)的物體為參考系，慣性定律才成立。即不受外力作用的物體，或者保持靜止，或者保持勻速運(yùn)動(dòng)。這一類特殊的參考系，被稱為慣性參考系（慣性系）

任何兩個(gè)不同的慣性系的空間和時(shí)間量之間滿足伽利略變換。在這種變換下，位置、速度是相對(duì)的，即相對(duì)于不同參考系其數(shù)值是不同的：長(zhǎng)度、時(shí)間間隔是絕對(duì)的，即相對(duì)于不同參考系其數(shù)值是不變的，同時(shí)性也是絕對(duì)的。相對(duì)于某一慣性系同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，相對(duì)于其他的慣性系也必定是同時(shí)的。另外，牛頓力學(xué)規(guī)律在伽利略變換下保持形式不變，這一點(diǎn)符合伽利略相對(duì)性原理的要求。

正是這個(gè)相對(duì)性原理，構(gòu)成了對(duì)牛頓的絕對(duì)空間概念的懷疑的起點(diǎn)。如果存在絕對(duì)空間，則物體相對(duì)于這個(gè)絕對(duì)空間的運(yùn)動(dòng)就應(yīng)當(dāng)是可以測(cè)量的。這相當(dāng)于要求在某些運(yùn)動(dòng)定律中含有絕對(duì)速度。然而，相對(duì)性原理要求物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律中必定不含有絕對(duì)速度，亦即絕對(duì)速度在原則上是無(wú)法測(cè)定的。G.萊布尼茲、G.貝克萊、E.馬赫等先后都對(duì)絕對(duì)空間、時(shí)間觀念提出過(guò)有價(jià)值的異議，指出沒(méi)有證據(jù)能表明牛頓絕對(duì)空間的存在

愛因斯坦推廣了上述的相對(duì)性原理，提出狹義相對(duì)論的相對(duì)性原理，即不但要求在不同慣性系中力學(xué)規(guī)律具有同樣形式，而且其他物理規(guī)律也應(yīng)如此。在狹義相對(duì)論中，不同慣性系的空間和時(shí)間之間遵從洛倫茲變換。根據(jù)這種變換，同時(shí)性不再是絕對(duì)的，相對(duì)于某一參考系為同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，相對(duì)于另一參考系可能并不同時(shí)發(fā)生。在狹義相對(duì)論中，長(zhǎng)度和時(shí)間間隔也變成相對(duì)量，運(yùn)動(dòng)的尺相對(duì)于靜止的尺變短，運(yùn)動(dòng)的鐘相對(duì)于靜止的鐘變慢，光速在狹義相對(duì)論中是絕對(duì)量，相對(duì)于任何慣性系光速都是C[1]

空間和時(shí)間是共同描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)基本物理量，其國(guó)際單位制（SI）量綱分別為：長(zhǎng)度 L（米），符號(hào)m；時(shí)間 T（秒），符號(hào)s。描述運(yùn)動(dòng)要準(zhǔn)確指出質(zhì)點(diǎn)在參考系（坐標(biāo)系）中出現(xiàn)的時(shí)間和位置。物理學(xué)確立了質(zhì)點(diǎn)在四維時(shí)空（一維時(shí)間+三維空間）中的變化規(guī)律

牛頓的絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間。通常，為確定一物體的大小，要知其形狀和尺寸。對(duì)于長(zhǎng)方體，知其長(zhǎng)、寬和高，利用歐幾里得幾何的公式就可計(jì)算其體積。為了確定一個(gè)可忽略大小的物體的位置，只要知道它相對(duì)于另一個(gè)可忽略大小的靜止參照物的上下、左右和前后距離，同樣利用歐幾里得幾何就足夠了。描述運(yùn)動(dòng)物體，瞬間位置還不夠，還需要知道瞬間的速度和加速度。由此，可抽象出三維空間坐標(biāo)系和一維時(shí)間坐標(biāo)的概念。物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和規(guī)律，與采用怎樣的空間坐標(biāo)系和時(shí)間坐標(biāo)來(lái)度量有著密切的關(guān)系。相對(duì)于慣性參考系（慣性系），慣性定律才成立。為了確定慣性系，牛頓抽象出三維絕對(duì)空間和一維絕對(duì)時(shí)間的觀念。絕對(duì)空間滿足三維歐幾里得幾何，絕對(duì)時(shí)間均勻流逝，它們的本性是與在其中的任何具體物體及其運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的。相對(duì)于絕對(duì)空間的靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體為參照物的坐標(biāo)系，才是慣性系

在經(jīng)典力學(xué)中，任意一個(gè)物體對(duì)于不同的慣性坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)量和時(shí)間坐標(biāo)量之間滿足伽利略變換。在這組變換下，位置、速度是相對(duì)的；空間長(zhǎng)度、時(shí)間間隔、運(yùn)動(dòng)物體的加速度是絕對(duì)的或不變的。時(shí)間測(cè)量中的同時(shí)性也是不變的：相對(duì)于某一個(gè)慣性系的兩個(gè)事件是否同時(shí)發(fā)生是不變的。相對(duì)于某一個(gè)慣性系同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，相對(duì)于其他慣性系也必定是同時(shí)的，稱為同時(shí)性的絕對(duì)性。牛頓力學(xué)的所有規(guī)律，包括萬(wàn)有引力定律，在伽利略變換下其形式是不變的。這一點(diǎn)可以抽象為伽利略相對(duì)性原理：力學(xué)規(guī)律在慣性系的變換下形式不變。同時(shí)，不變性與守恒律密切相關(guān)。運(yùn)動(dòng)物體在伽利略變換下的時(shí)間平移不變性，對(duì)應(yīng)于該物體的能量守恒；在伽利略變換下的空間平移和空間轉(zhuǎn)動(dòng)不變性，對(duì)應(yīng)于該物體的動(dòng)量守恒和角動(dòng)量守恒

牛頓力學(xué)定律及其在伽利略變換下的不變性，促成對(duì)牛頓的絕對(duì)空間概念的懷疑。如果存在絕對(duì)空間，物體相對(duì)于絕對(duì)空間的運(yùn)動(dòng)就應(yīng)當(dāng)是可以測(cè)量的。這相當(dāng)于要求某些力學(xué)運(yùn)動(dòng)定律中應(yīng)含有絕對(duì)速度。但是，在牛頓力學(xué)規(guī)律中并不含絕對(duì)速度。換言之，牛頓力學(xué)定律的正確性，并不要求一定存在絕對(duì)空間。在牛頓提出絕對(duì)空間概念之后，先后有人對(duì)這種觀念提出異議。事實(shí)上，沒(méi)有有力的證據(jù)表明存在絕對(duì)空間。然而，隨著牛頓力學(xué)和萬(wàn)有引力定律的極大成功，牛頓的絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間的概念，也一直在自然科學(xué)界和哲學(xué)界占據(jù)主導(dǎo)地位

但是，在牛頓體系中無(wú)法建立簡(jiǎn)單的宇宙圖像。一種簡(jiǎn)單的宇宙圖像是：在無(wú)限大的絕對(duì)空間和無(wú)窮長(zhǎng)的絕對(duì)時(shí)間中，無(wú)限多恒星或星系在其中大體靜止，平均光度大致均勻。然而，這種樸素的宇宙圖景，在萬(wàn)有引力的作用下是不穩(wěn)定的，而且連為什么夜間天空是黑暗的這樣簡(jiǎn)單的問(wèn)題，都無(wú)法回答。

19世紀(jì)麥克斯韋總結(jié)出電磁學(xué)的基本規(guī)律——麥克斯韋方程組，這組方程中出現(xiàn)了光速C。隨后又發(fā)現(xiàn)了電磁波。受牛頓絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間觀念支配的物理學(xué)界，自然認(rèn)為在絕對(duì)空間中充滿著光以太，麥克斯韋方程僅在相對(duì)于絕對(duì)空間靜止的慣性系中成立，電磁波是光以太的波動(dòng)。這種觀念的必然推論是，在地球這個(gè)相對(duì)于絕對(duì)空間運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)中，麥克斯韋方程僅近似成立。電磁學(xué)或光學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該能夠測(cè)量出地球相對(duì)于光以太的漂移速度。但是，所有這類實(shí)驗(yàn)都得到否定的結(jié)果。這表明，忽略地球的非慣性運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)，麥克斯韋方程仍成立，并不存在以太漂移。這樣，牛頓的絕對(duì)空間和光以太觀念都受到了挑戰(zhàn)

20世紀(jì)初，愛因斯坦提出了狹義相對(duì)論，擴(kuò)展了伽利略相對(duì)性原理，不僅要求力學(xué)規(guī)律在不同慣性參考系（慣性系）中具有同樣形式，而且要求其他物理規(guī)律在不同慣性系中也具有同樣的形式。愛因斯坦還假定在不同慣性參考系中單程光速C是不變的。據(jù)此，不同慣性系的空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)之間不再遵從伽利略變換，而是遵從非齊次洛倫茲變換。根據(jù)這類變換，尺的長(zhǎng)度和時(shí)間間隔（即鐘的快慢）都不是不變的：高速運(yùn)動(dòng)的尺相對(duì)于靜止的尺變短，高速運(yùn)動(dòng)的鐘相對(duì)于靜止的鐘變慢。同時(shí)性也不再是不變的（或絕對(duì)的）：對(duì)某一個(gè)慣性系同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，對(duì)另一高速運(yùn)動(dòng)的慣性系就不是同時(shí)發(fā)生的。在狹義相對(duì)論中，光速是不變量，因而時(shí)間–空間間隔（簡(jiǎn)稱時(shí)空間隔）亦是不變量；一些慣性系之間，除了對(duì)應(yīng)于時(shí)間平移和空間平移不變性的能量守恒和動(dòng)量守恒之外，還存在時(shí)間–空間平移不變性；因而，存在能量–動(dòng)量守恒律。根據(jù)這一守恒律，可導(dǎo)出愛因斯坦質(zhì)量–能量關(guān)系式。這個(gè)關(guān)系在原子物理與原子核物理中極為基本

狹義相對(duì)論否定了19世紀(jì)光以太的存在，電磁波是電磁場(chǎng)自身的波動(dòng)。這樣場(chǎng)就成為與實(shí)物有所不同的物質(zhì)形式。同時(shí)，這也否定了牛頓的絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間，并通過(guò)光速不變?cè)戆岩痪S時(shí)間和三維空間聯(lián)系起來(lái)，成為相互聯(lián)系的四維時(shí)間–空間。H.閔可夫斯基首先發(fā)現(xiàn)了這一性質(zhì)，因而稱為閔可夫斯基時(shí)空。四維閔可夫斯基時(shí)空的幾何是度規(guī)具有符號(hào)差的歐幾里得幾何，其不變?nèi)壕褪欠驱R次洛倫茲群。

狹義相對(duì)性原理要求所有的物理規(guī)律對(duì)于慣性系具有相同的形式。然而，把引力定律納入這一要求并不符合觀測(cè)事實(shí)。愛因斯坦進(jìn)而提出描述引力作用的廣義相對(duì)論，再一次變革了物理學(xué)的時(shí)間–空間觀念

按照廣義相對(duì)論，如果考慮到物體之間的慣性力或引力相互作用，就不存在大范圍的慣性系，只在任意時(shí)空點(diǎn)存在局部慣性系；不同時(shí)空點(diǎn)的局部慣性系之間，通過(guò)慣性力或引力相互聯(lián)系。存在慣性力的時(shí)空仍然是平直的四維閔可夫斯基時(shí)空。存在引力場(chǎng)的時(shí)空，不再平直，是四維彎曲時(shí)空，其幾何性質(zhì)由度規(guī)具有符號(hào)差的四維黎曼幾何描述。時(shí)空的彎曲程度由在其中物質(zhì)（物體或場(chǎng)）及其運(yùn)動(dòng)的能量–動(dòng)量張量，通過(guò)愛因斯坦引力場(chǎng)方程來(lái)確定。在廣義相對(duì)論中，時(shí)間–空間不再僅僅是物體或場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的“舞臺(tái)”，彎曲時(shí)間–空間本身就是引力場(chǎng)。表征引力的時(shí)間–空間的性質(zhì)與在其中運(yùn)動(dòng)的物體和場(chǎng)的性質(zhì)是密切相關(guān)的。一方面，物體和場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的能量–動(dòng)量作為引力場(chǎng)的源，通過(guò)場(chǎng)方程確定引力場(chǎng)的強(qiáng)度，即時(shí)空的彎曲程度；另一方面，彎曲時(shí)空的幾何性質(zhì)也決定在其中運(yùn)動(dòng)的物體和場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。如太陽(yáng)作為引力場(chǎng)的源，其質(zhì)量使得太陽(yáng)所在的時(shí)空發(fā)生彎曲，其彎曲程度表征太陽(yáng)引力場(chǎng)的強(qiáng)度。最鄰近太陽(yáng)的水星的運(yùn)動(dòng)軌跡受的影響最大，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)邊緣的星光也會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，等等。廣義相對(duì)論提出不久，天文觀測(cè)就表明，廣義相對(duì)論的理論計(jì)算與觀測(cè)結(jié)果是一致的。然而，20世紀(jì)中后期的研究表明，在物理上可以實(shí)現(xiàn)的條件下，廣義相對(duì)論的時(shí)間–空間必定存在難以接受的奇異性。在奇點(diǎn)處時(shí)間–空間亦即引力場(chǎng)完全失去意義，這是廣義相對(duì)論在理論上存在問(wèn)題的表現(xiàn)

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