时间与空间的关系ppt

广义相对论
地球引力场强度假说
根据广义相对论计算，地球的引力场强度是不均 匀的，近中心者强度大，随距离拉开逐渐减弱， 这种强度差异，会使得时钟快慢发生差异。 依据这个计算，1960年，庞德和雷布卡作了一个 实验，在距海平面 22.6m 的塔顶和塔底各置一钠 钟 ， 测 出 其 快 慢 差 为 2.5×1015秒，与预言完全符合。
地球公转
月球绕地运行
另一方面，空间也是用物质在时间中的运动量度的。
• 一米是光在真空中在 1/299 792 458秒的时间间 隔内运行路程的长度。 光年是光在一年时间 里所行驶的距离，约为 1013公里。 银河系的直径大约是1 0万光年,中心厚度约为1.2 万光年 地球到银河系中心的 距离约为3万光年。
⑵ 打破了绝对时空观对人们长达数百年的统治， 为辩证时空观提供了科学依据。
⑶ 使牛顿的理论成为非常有限范围内的特殊理论，
打破了长期以来对人们思想的禁锢。
广义相对论（1915）
• 狭义相对论完成后，爱因斯坦基于把相对 性原理贯彻到底的信念和哲学认识论的原则， 又向广义相对论进军。 经过10年的探索，在 狭义相对论的基础上，加上引力场作用，1915 年11月，爱因斯坦完成了他的论文《广义相对 论的基础》，同时，解决了长期困扰物理学界 的勒维烈水星近日点运动。

Z
O
X1 X
2、时间、空间与物质运动不可分
• 要理解一个具体事物有自己的时空性质并不难。困难在 于理解没有绝对独立的时、空。即没有什么事情发生而“白 白流逝”的时间和没有事物的“空框子”。
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辩证唯物主义认为，时间空间是物质运动的存在形式， 时间空间和物质运动是密不可分的。具体说来，可以从两方 面理解： • （1）时间空间离不开物质的运动，离开物质运动的时间、 空间是不存在的。 • 一方面，时间就是以物质在空间中的运动来量度的。
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(2)空间的含义及其特性
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空间是指运动着的物质的伸张性和广延性， 是指物体的位置、规模和体积。
空间的特点是三维性
• 一是表现为一定的体积，任何一个物体都具有 一定的长度、宽度和高度。 • 二是表现为一定的位置，任何一个物体同周 围物体也总是存在着前后、左右和上下的关系。
Y
高 Y1 Z1 P（X1，Y1，Z1）


时间的有限性是 指物质世界存在的每 一具体事物，都要经 历产生、发展、灭亡 的具体时间历程。

空间的有限性是指 物质世界的每一具体 事物占有的方位，拥 有的体积、规模都是 有边际的。
5.相对性—一种现代观念
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直线的、平面的、均匀的、僵硬的、死板的看待 世界的方法终于被多角度、多层次、多方位，变动 的、相互关联的世界所取代。
恒星位置假说
爱因斯坦预言，由于引力作用，光线实际上是弯曲的，因此，我
们平时观测到的恒星位置是有误差的。大约在1.74″ 。
为了证实这一预言，德国曾在1914年组织考察队前往俄国克里 木半岛，准备在全日食情况下进行观测。恰逢第一次世界大战爆发，考 察队人员全部被俄国作为战俘扣留，至使这次观测未能进行。 1 9 1 9 年 ， 英 国 皇 家 学 会 组 织 了 两支科学考察队，一支前往西非北部的索布拉尔，一支前往西非几内亚 湾的普林西比岛后一支考察队由著名天文学家爱丁顿（Arthur Stanley Eddington1882-1944）率领。普林西比的结果是1.61±0.30''，索布拉 尔的结果是1.98±0.12'', 在误差允许范围内与预言1.74'' 相符合。 以后，在1954、1957年的考察与预言完全符合。
“人生”就是： 下课啦；放学啦；放假啦； 毕业啦；混够啦；老啦； 后悔啦；死啦。
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所谓顺序性，是指不同事物、不同运动过程的出 现有一个先后顺序关系。
时间的特性
• 时间的特性是一 维性，指时间只有过 去、现在、将来一个 方向，具有不可逆性
时间只有一个方向。 这是由于物质运动不可能 完全等同地重复。时间不 能颠倒，也不能倒退，是 一去不复返的。“时乎时 乎不再来” “机不可失， 时不再来”“一寸光阴一 寸金，寸金难买寸光阴” ，都是时间一维性的生动 写照。
非欧几何
• 高斯（1778-1855）， • N ·T· 洛巴切夫斯基（1793-1856）， • 黎曼（1828-1866）等。 欧氏几何中极重要的“对称性”、“全等性”、“不 变的角”非欧几何中没有这样的概念，相当的是“局部曲 率”性质，即“非正则”性质。在计算上，主要是微分、 拓朴，甚至“绝对微分法”即没有固定坐标的微分系统。
时间与空间
主要内容
• • • • 明确时间和空间的涵义 理解时间、空间与物质运动不可分 掌握时间空间的绝对性和相对性 掌握时间空间的有限性和无限性
1.时间和空间的涵义
• (１) 时间的含义及 其特性
•
时间是指物质运 动过程的持续性和 顺序性。
所谓持续性，是指任 何一个物体的运动变化都 要经历一个或长或短的过 程。
广义相对论
黑洞假说
广义相对论
4、时间和空间的无限性与有限性
时间的无限性是指物 质世界在时间上的一维持 续性是无限的。 时间无论向前追溯多 远，没有开端；无论向后 探索多久，没有尽头，世 界永远不存在“无时间” 的状态。


空间的无限性是指物 质世界在空间上的三维广 延性是无限的。 空间无论从哪一点出 发，沿上下、前后、左右 延伸出去，永远不会达到 边际，世界永远不存在“ 无空间”的状态。
球，会发现自己的同龄兄弟已是74岁的老翁了
。这就是人称“双胞胎详谬”的想象。
狭义相对论
•
当你坐在一个可爱的女孩子身边时，一小时像 一分钟那么短；而当你坐在火炉上时，一分钟就像 一小时那么长。
狭义相对论的观念革命意义
⑴ 将时、空的测量标准和方式与实际事物的时、 空性质区分开来。
打破了过去以为测量就是时空本身的误解，“影子就是影 子”，“地图绝不是领土”。
时间和空间随着物质形态的不同而不同
几何名称 几何性质 可作平行线 内角之和
欧氏几何
平面几何
1条
=180度
洛氏几何
双曲几何
无数条
<180度
黎氏几何
椭圆几何0条>1 Nhomakorabea0度欧几里德几何学与非欧几何学
• • • 欧几里德几何学中的基本概念如：点、线、面 非欧几何实际应称为“微分几何”或“非正则几何”
“未下定义的物质形体”
对时、空的客观性的理解和对运动客观性的理 解一样即：时间、空间并非“独立实在”的客体，
它们的客观性是作为物质的存在形式而被物质所赋
予的。
（2）时间和空间相对性的涵义
• 所谓时间和空间的相对性，是指时间和 空间作为物质运动存在形式的客观具体性， 它因物质具体形态和运动形式不同而不同， 其具体特性是可变的和有条件的，因而是相 对的。
在《广义相对论》一文中，爱因斯坦的思想已炉 火纯青，理论范围极大，概念十分清晰，对所有参照 系都适用。经典的守恒定律失去了原有的意义，仅仅 成了一些恒等式，过去曾权威的引力对物体运动的影 响失去了意义。时空与物质密切相关，是运动着的物 质存在的方式。“空间、时间未必能被看作是一种可 以离开物理实在的实际客体而独立存在的东西。物理 客体不是在空间之中，而是这些客体有着空间的广 延。” 彻底地否定了牛顿的绝对时空观。 广义相对论因很快得到科学的证实而引起轰动， 爱因斯坦提出的若干假说令人瞠目结舌。数十年来， 它们一一被科学观测所证实。至今天，还未发现一例 与之不相符的观测。
洛氏几何又被称为“宇
宙几何”。因为它描述的是
大尺度空间，又称为“内蕴 几何”。其最大特点是“保 形性”。
L2
洛氏平面示意图
t
非欧几何
黎曼几何
在黎曼几何中，任何
一个“黎曼流形”都是一 个“张量场”，其中任何 一点都具有四个方向上的 性质，这是一种“局部坐 标”性质的几何，只能用 无统一坐标的“绝对微分 法”计算，因这一性质， 又被称为“无坐标几何” 或“无定则几何”。
自爱因斯坦后，这些
数学形式已有了广泛 运用，例如我们现在 说的什么“宇宙爆炸 ”、“宇宙收缩”、
“黑洞”、“脉冲星
”、“白矮星”等， 都是使用这两种数学 方法和爱因斯坦公式 计算的结果。
•
非欧几何学把形而上 学时空观打得落花流水， 闵可夫斯基1907年在哥根 延数学学会上的报告说： “从现在起，孤立的空间 和孤立的时间注定要消失 为影子，只有两者的统一 才能保持独立存在。” 时间、空间只能是物质的 性质和形式，离开是什么 物质和物质的实际状况， 时间、空间没有意义。 在非欧几何里，时空 不可分割。时空与物质不 可分割是基本的原则。
这就是“尺缩效应”和“钟慢效应”。当然， 这种效应仅相对静止参照系而言，在运动中，时 狭义相对论 间和空间的感觉依然如常。
这种效应当然引起了人们的无穷想象：如果有
一对双胞胎兄弟，在他们20岁那年，其中一个 兄 弟 乘 坐 速 度 为 0.99c 的火箭遨游太空，而另一位兄弟留在地 球上，一年以后，那位21岁的太空游子返回地
广义相对论
引力波假说
19741978五年间对PSR1913+16双星观测，该双星质量大 ，体积小，密度极大，轨道周期仅 8小时。其中之 一为脉冲星，脉冲星周期59毫秒，每周期减少万亿 分 之 三 （ 3×1013 ），近五年上亿次观测记载，参数精度达百亿分 之一（10-11）观测结果与预言完全相符。
爱因斯坦还是一个十四 岁的中学生时，一次突 然想象，如果自己乘坐一列火车追着一束光前进，会 看到什么？ 答案是：会看到光不再是一束“光线”，而是原 地振动的点。这就是著名的“追光详谬”。
“追光详谬”其实是一种参照系的变换。 静止参照系变为运动参照系，观测者“参与” 运动之中。