时间瞬时的确定与时计

       （《物理学上的时空与物质》3）

物理学上关于时空与物质的基本概念和基本规律

第一章  牛顿力学关于时空的基本概念和基本规律 

§1.1  牛顿对时间与空间的观点

§1.2  参照系与坐标系

1.2.1  空间位置的确定与坐标系

1.2.2  时间瞬时的确定与时计

大家知道，确定时间瞬时可用时计（即计时装置）；时计的指针处于某一位置对应着某一瞬时。自然界的周期运动（如地球绕日运动等等）和人造机械的周期运动（如钟表中的指针运动等等）都可用作时计；这是由于周期不断地反复可对应着时间不断地流逝。

       人们的日常经验和物理实验事实告诉我们，描述空间几何点的位置需要三个独立变量（x,y,z），称为空间独立坐标，描述时间瞬时需要一个独立变量t ，称为时间独立坐标。在物理学上，把任一瞬时发生在空间位置任意一点的现象都称为一个事件（如火箭发射时离开起飞架的瞬间，炸弹击中目标时爆炸的瞬间等等），一个事件可用它的时空独立坐标（t,x,y,z）来表示。独立坐标（常简称坐标）的个数称为维数，目前公认的空间独立坐标为3，我们便说空间为3维，时间独立坐标为1，我们便说时间为1维，因而时空为4维。由于量子引力理论、超弦理论的研究，提出了空间高于3维的可能性；但高于3维的空间在物理上还没有证实。

时间坐标可用一条有向直线上的点来表示。有向直线的方向可表示时间流逝的方向，此有向直线称为时轴。在时轴上，点的坐标可以由负无限大连续地变到正负无限大，这意味着时间有可能从负无限大连续地变到正负无限大，但也不能排除时间存在始点和终点的可然性；如果时间有始点，在此始点之前便不存在物理时间，这是因为在时轴上于始点之前，不存在代表时间的数学点（否则就不能叫始点）；根据同样的理由，如果时间有终点，在此终点之后便不存在物理时间。到底时间是从负无限大变到正负无限大，还是存在始点（如宇宙大爆炸）和终点（宇宙大塌缩）？目前的宇宙学仍在研究和争论。（附注：有人认为宇宙大塌缩后还可以再大爆炸，或者认为我们的宇宙之外还另有其它宇宙，并以此来说明时间还是无始无终。可是，必须强调指出，大塌缩前后的物理时间是没有联系的，不同宇宙的物理时间也是没有联系的！作者认为要说明时间无始无终，需要另找理由）。

        为了方便，空间坐标需要定出空间原点（0,0,0），同样为了方便，时间坐标也需要定出时间原点t=0，在4维时空中，我们把空间原点（0,0,0）与时间

原点t=0接合在一起，形成时空原点（0,0,0,0）; 时空原点所表示的事件称为原点事件。一个任意质点，在空间可沿每一空间坐标轴向前或向后移动，而一个质点所经历的事件只能沿时轴向前而不可能沿时轴向后，这表明时间具有与空间不相同的特性。这个问题，以后我们还要讨论。

        以上关于时间的讨论是一般性的讨论，既适用于牛顿力学，也适用于狭义相对论。牛顿力学与狭义相对论的区别在于：牛顿力学承认时间是绝对的，而狭义相对论否认时间的绝对性；这个问题，以后我们将逐渐详细讨论。