再談空間,、時(shí)間與時(shí)空

物理現(xiàn)象都發(fā)生在一定的空間之內(nèi), 除瞬時(shí)發(fā)生者外,，物理現(xiàn)象都還要經(jīng)歷一定的時(shí)間間隔。我們所感覺(jué)到的空間是3維空間,，粗略地說(shuō),，它可以用長(zhǎng)、寬,、高來(lái)表示,。時(shí)間是1維的，時(shí)間的瞬時(shí)可以用一個(gè)坐標(biāo)軸上的點(diǎn)來(lái)表示,，時(shí)間的間隔可以用這個(gè)坐標(biāo)軸上的長(zhǎng)度來(lái)表示,。雖然我們不能直接感覺(jué)到時(shí)間，但隨著時(shí)間的進(jìn)展,，與時(shí)間有關(guān)的物質(zhì)之運(yùn)動(dòng)和物理現(xiàn)象之變化,，還是可能感覺(jué)或觀察到的?，F(xiàn)在物理學(xué)所主要研究的是3維空間和1維時(shí)間，本文也主要討論3維空間和1維時(shí)間,。

在空間中一個(gè)質(zhì)點(diǎn)所處的位置在數(shù)學(xué)上可用 {x,y,z} 表示,，這個(gè)位置稱為空間點(diǎn)， x,y,z 是該點(diǎn)的坐標(biāo),，其取值與坐標(biāo)軸的選擇有關(guān),，對(duì)于坐標(biāo)軸的原點(diǎn) {0,0,0}， x,y,z的取值均為0,。兩空間點(diǎn){x_a,y_a,z_a}與{x_b,y_b,z_b}之間的間隔x_b-x_a, y_b-y_a, z_b-z_a稱為空間間隔,。

表示時(shí)間的坐標(biāo)軸稱為時(shí)軸，時(shí)軸上的一點(diǎn)表示瞬時(shí),，也稱為時(shí)間點(diǎn),，在數(shù)學(xué)上可用{t}或{ct}表示(兩者時(shí)間的單位不同)，{t}或{ct}是該時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo),，以后我們只采用{ct}來(lái)表示時(shí)間點(diǎn),。對(duì)于時(shí)軸的原點(diǎn) {0}， {t}或{ct}的取值均為0,。兩時(shí)間點(diǎn){ct_a}與{ct_b}之間的間隔ct_b-ct_a 稱為時(shí)間間隔,。

在數(shù)學(xué)上可把1維時(shí)間和“3維空間”合并為4維時(shí)空；即將空間點(diǎn) {x,y,z}與時(shí)間點(diǎn){ct} 合并為時(shí)空點(diǎn){ct,x,y,z},全部時(shí)空點(diǎn)便形成4維時(shí)空,，在數(shù)學(xué)上4維時(shí)空是一個(gè)4維空間,，這個(gè)4維空間有其特殊性質(zhì)和附加結(jié)構(gòu)（請(qǐng)參考上次博文所講數(shù)學(xué)中空間概念，想進(jìn)一步了解的讀者還須要學(xué)點(diǎn)微分幾何）,。物理學(xué)認(rèn)為,，每個(gè)時(shí)空點(diǎn){ct,x,y,z}可分別對(duì)應(yīng)著一個(gè)稱為事件的物理現(xiàn)象，或者說(shuō)：一個(gè)事件對(duì)應(yīng)著一個(gè)時(shí)空點(diǎn){ct,x,y,z},，這也就是說(shuō),，“當(dāng)時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)在{ct}的瞬時(shí)，有一個(gè)物理現(xiàn)象出現(xiàn)在空間點(diǎn){x,y,z}”,。在數(shù)學(xué)和物理學(xué)中,，常把這句話簡(jiǎn)述為“有一個(gè)物理現(xiàn)象出現(xiàn)在時(shí)空點(diǎn){ct,x,y,z}”。有人認(rèn)為,，物理現(xiàn)象只可能出現(xiàn)于空間之內(nèi),，不可能出現(xiàn)于時(shí)間之內(nèi)；其實(shí),，這是習(xí)慣思維所致,；只要承認(rèn)物理現(xiàn)象的發(fā)生，既離不開(kāi)空間，也離不開(kāi)時(shí)間,，把“當(dāng)時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)在{ct}的瞬時(shí),，有一個(gè)物理現(xiàn)象出現(xiàn)在空間點(diǎn){x,y,z}”說(shuō)成 “有一個(gè)物理現(xiàn)象出現(xiàn)在時(shí)空點(diǎn){ct,x,y,z}”，應(yīng)當(dāng)是可以的,。

4維坐標(biāo)軸的原點(diǎn) {0,0,0,0}與任一時(shí)空點(diǎn){ct,x,y,z}之間的間隔為ct-0=ct,  x-0=x,  y-0=y,   z-0=z,。在這一特殊情況下，該時(shí)空間隔的分量與時(shí)空點(diǎn)的坐標(biāo)分量等值,。但要注意,，時(shí)空間隔與時(shí)空點(diǎn)是兩個(gè)完全不同的概念。