時空

定義

時空是一個結合空間的三維度和時間的一維度的數學模型，用於可視化相對論效應，例如不同觀察者對事件發生時間和地點的不同感知。時空是一個基本概念，適用於物理學、天文學、空間物理學和哲學等領域，也是這些學科中最重要的基本概念之一。

空間和時間

在物理學中，空間是一個描述物體及其運動位置、形狀和方向的抽象概念；而時間是描述運動延續性、事件發生順序的概念。時空的特徵主要透過物體及其運動和相互作用之間關係的總和來呈現。

歷史發展

時空概念自古以來就存在於人類文明中，在農業、放牧等日常勞動需要測量土地和遵循時令，因此產生了基本的時空概念與度量方法。近代科學中，時空概念和測量方法無處不在，特別是文藝復興以來，古典力學、物理學和天文學對時空的認知可以分為兩條不同的但相交的路線：

1. 牛頓絕對時空

艾薩克·牛頓提出了四維絕對時空的概念，絕對時間均勻流逝，絕對空間符合三維歐幾裏得幾何。絕對時空的性質與任何具體物體或運動狀態無關。選擇相對於絕對空間靜止或勻速直線運動為參考所得出的坐標，就是慣性參考系。

牛頓力學的所有規律都遵循伽利略變換，而伽利略相對性原理表明，在不同慣性參考系中，物體的位置和速度都是相對的；而空間位移、時間間隔和加速度卻是絕對不變的。由於絕對時間的同時性不變，因此相對於同一個慣性參考系的兩個事件同時發生與否也是不變的。

1. 愛因斯坦狹義相對論

阿爾伯特·愛因斯坦在1905年提出的狹義相對論擴展了伽利略相對性原理，使得包含力學和電磁學在內的所有物理定律在不同慣性參考系中也具有相同的形式。但是，愛因斯坦當時假設慣性參考系中單程光速 C是不變的。據此，不同慣性系的時間-空間坐標之間不再遵循伽利略變換，而是遵循勞侖茲變換。

勞侖茲變換表明，時間間隔（時鐘的走動）和空間長度（尺子的長）都是可變的，而且相對於「靜止的」而言，越是高速運動，時鐘就越是變慢，尺子就越是變短。至此，絕對的同時性不存在，也就是説，在一個參考系中同時發生的兩個事件，在另一個高速運動的參考系就不再是同時發生了。

由於光速是不變的，因此時空間隔（時空間隔）就成了不變量。因此，一些慣性系之間，除了對應於時間和空間平移的不變性之能量和動量守恆以外，還存在時空平移不變性。愛因斯坦由此推導出質量-能量關係式 E=mc²，這是原子物理中最為基本的。

狹義相對論不僅否定了光以太的存在，還提出了牛頓的絕對時空不存在，並將一維時間和三維空間聯繫在一起，組成四維時空。赫爾曼·閔考斯基最先發現這一點，即閔考斯基時空。而由此產生的幾何也成為具有度規張量的歐幾裏得幾何，其符合勞侖茲協變性，也就是閔考斯基度規。

1. 愛因斯坦廣義相對論

狹義相對論的缺陷是無法讓重力定律滿足任何參考系都具有同樣形式。就此，愛因斯坦提出了廣義相對論。

廣義相對論認為，在宇宙中不存在大範圍的慣性參考系，而是只在任意時空點存在局部的慣性系，而不同的慣性系之間就通過慣性力或重力讓其相互聯繫。

慣性力的時空仍然是平直的四維閔克夫斯基時空，反之，重力的時空就是彎曲的四維時空。要描述這樣的四維時空，只能用黎曼幾何來描述。而要想得知時空的彎曲程度，需要知道物質及其能量-動量張量，再通過愛因斯坦重力場方程式來確定。

時空不再是物質的「運動場」，彎曲的時空就是重力場，其性質與在其中運動的物質之性質存在關聯；而時間與空間是物質的存在形式，既沒有脱離物質的時空，也沒有脱離時空的物質。

物質的運動所產生的能量-動量作為重力場的源頭，通過場方程式確定重力場的強度，即時空的彎曲度；彎曲時空的幾何特性也同樣決定著物質運動的性質。

例如，在太陽系中，太陽作為重力場的源頭，它的質量使得整個太陽系的時空發生彎曲。而越靠近太陽，其運動性質受到影響就越大。因此，水星的運動軌跡就受到太陽的影響。而其他恆星所發出的光線在經過太陽邊緣時也發生了偏轉等。實際觀測也證明瞭廣義相對論的正確性。

時空與宇宙

人類對時空認識一直都與宇宙密切相關，而宇宙學原理和愛因斯坦重力場方程式就是現代認識宇宙的基礎。宇宙學原理認定宇宙是一個整體的，它在時間上是不斷變化的，即時間箭頭，而在空間上卻是均勻的。

20世紀中期，宇宙大爆炸的模型成功的解釋了河外星系紅移，也解釋了夜晚的天空是黑色的，這就是宇宙微波背景輻射。計算預測出的宇宙的演化、星系的形成、輕元素的豐度等在天文觀測上也是大體一致的。便解決了牛頓體系沒有給出宇宙圖像的問題。

雖然認識到宇宙是在演化中的一個整體，但是，奇異點卻處在宇宙大爆炸的起始、星系或黑洞的中心。

小結

時空是一個結合時間和空間的數學模型，可用於可視化相對論效應並描述物體的運動。牛頓絕對時空概念被愛因斯坦相對論所取代，相對論提出時間和空間不是絕對的，而是相對於慣性參考系的。廣義相對論進一步提出，時空可以被物質和能量彎曲，導致重力的產生。時空與宇宙密切相關，宇宙學原理和愛因斯坦重力場方程式是現代認識宇宙的基礎。儘管時空概念在物理學中不斷發展，但它仍然是人類認識世界和宇宙的基本框架。

時空意思：時間與空間交織的概念

時空是一個物理學概念，指的是時間和空間相互關聯、不可分割的整體。在現代物理學中，時空被認為是四維的，其中三維是空間，一維是時間。

時空的概念

時空的概念在不同的領域中具有不同的意義：

領域	時空意思
物理學	時間和空間的四維連續體
哲學	經驗的框架，包含時間和空間的維度
數學	多維空間，其中一維是時間
藝術	探索時間和空間關係的表達方式

時空的性質

時空具有以下性質：

• 相對性：時空的測量會因觀測者的運動狀態而異。
• 非歐幾何：時空不是平面或歐幾何的，而是具有曲率的。
• 因果性：時間和空間上的事件是有因果關係的，過去會影響未來。
• 可塑性：時空可以通過物質和能量的分佈而彎曲或膨脹。

時空在物理學中的應用

時空在物理學中扮演著重要的角色，特別是在廣義相對論和量子力學中：

延伸閲讀…

時空- 維基百科，自由的百科全書

時空（じくう） とは？ 意味・読み方・使い方 – goo國語辭書

• 廣義相對論：時空是引力的載體，物質和能量會彎曲時空，而彎曲的時空會影響物體的運動。
• 量子力學：時空的不確定性原則指出，無法同時確定一個粒子的位置和動量。

時空在其他領域的應用

時空的概念也在以下領域有廣泛的應用：

• 哲學：時空被視為人類體驗的基本框架，影響著我們的感知和思維。
• 藝術：時空在視覺藝術、音樂和文學中用於探索時間和空間的關係。
• 技術：時空數據用於衞星導航、雷達和地震學等技術中。

結論

時空是一個複雜且抽象的概念，但它對於理解宇宙和我們在其中的位置至關重要。它結合了時間和空間的維度，創造了一個多維的連續體，影響著我們的世界和我們的體驗。