标题：空间和时间
简介
空间和时间是用来描述物体物理运动变化的两个基本维度。即什么时间，该物体出现在哪个位置。空间和时间的发明是人为了用一种大家公认的方式来达成一种共识。即大家都采用相同的时间与空间位置的标准。如用地球绕太阳旋转的周期作为一天的时间。将地球作为参照物，以经纬度作为空间的构成，并假设地球为静止，相对于地球的位置变化为活动的空间。基于这种空间和时间的理论，来观察和研究物体运动变化规律的物理学基础。通过物理学研究出来的规律，可以精确计算出，天体的运动规律。即什么时候某物体将出现在什么位置。
时间和空间是构成物理学的基石，物理学描述了物体在四维空间（三维空间和时空）的变化规律。当参照系发生了变化，经典力学的物理的规律不在适用。爱因斯坦突破传统思维，重新思考了对时间与空间的认识，提出了相对论。
宇宙（目前观察到的）的本身就是以太，时间就是以太的流动，而空间就是以太所存在的地方。
空间定义
空间是具体事物的组成部分，是运动的表现形式，是人们从具体事物中分解和抽象出来的认识对象，是绝对抽象事物和相对抽象事物、元本体和元实体组成的对立统一体，是存在于世界大集体之中的，不可被人感到但可被人知道的普通个体成员。空间是具体事物的组成部分，是具体事物具有的一般规定。眼睛可以看到、手可以触到的具体事物，都是处在一定空间位置中的具体事物，都具有空间的具体规定，没有空间规定的具体事物是根本不存在的。空间反映物质运动的广延性。物体在三维空间里的位置可以由三个相互独立的坐标轴来确定。
时间定义
时间是人类用以描述物质运动过程或事件发生过程的一个参数，确定时间，是靠不受外界影响的物质周期变化的规律。例如月球绕地球周期，地球绕太阳周期，地球自转周期，原子震荡周期等。爱因斯坦说时间和空间是人们认知的一种错觉。大爆炸理论认为，宇宙从一个起点处开始，这也是时间的起点。经典时空观认为，时间是独立于物体及其运动而存在的。
物理概念
在物理学中，对空间和时间的认识可以分为三个阶段：经典力学阶段、狭义相对论阶段及广义相对论阶段。
在经典力学中，空间和时间的本性被认为是与任何物体及运动无关的，存在着绝对空间和绝对时间。牛顿在《自然哲学的数学原理》中说：“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关。始终保持着相似和不变”“绝对的、纯粹的数学的时间，就其本性来说均匀地流逝，而与任何外在的情况无关”。
另一方面，物体的运动性质和规律，却与采用怎样的空间和时间来度量它有着密切的关系。相对于绝对空间的静止或运动，才是绝对的静止或运动。只有以绝对空间作为度量运动的参照系，或者以其他作绝对匀速运动的物体为参照物，惯性定律才成立。即不受外力作用的物体，或者总保持静止，或者总保持匀速运动。这一类特殊的参照系，被称为惯性参照系。
任何两个不同的惯性参照系的空间和时间量之间满足伽利略变换。在这种变换下，位置、速度是相对的，即相对于不同参照系其数值是不同的：长度、时间间隔是绝对的，即相对于不同参照系其数值是不变的，同时性也是绝对的。相对于某一惯性参照系同时发生的两个事件，相对于其他的惯性参照系也必定是同时的。另外，牛顿力学规律在伽利略变换下保持形式不变，这一点符合伽利略相对性原理的要求。
正是这个相对性原理，构成了对牛顿的绝对空间概念的怀疑的起点。如果存在绝对空间，则物体相对于这个绝对空间的运动就应当是可以测量的，这相当于要求在某些运动定律中含有绝对速度。然而，相对性原理要求物体的运动规律中必定不含有绝对速度，亦即绝对速度在原则上是无法测定的。莱布尼兹、贝克莱、马赫等先后都对绝对空间、时间观念提出过有价值的异议，指出过，没有证据能表明牛顿绝对空间的存在。
爱因斯坦推广了上述的相对性原理，提出狭义相对论的相对性原理，即不但要求在不同惯性参照系中力学规律具有同样形式，而且其他物理规律也应如此。
经典力学和狭义相对论都认为一个惯性参照系可以适用于整个宇宙，或至少一个大的范围。相对于某一个惯性参照系，宇宙中任何范围中的物体运动都遵从惯性定律。
爱因斯坦在广义相对论中指出，如果考虑到物体的万有引力，一个惯性参照系只能适用于一个非常局部的范围，不可能适用于大的范围，或全宇宙。如果对于描写一个局部范围中的物体来说，某一参照系是惯性的那么对其他范围中的物体运动而言，它一般就不再是惯性的。
为了描写在一个大范围中的运动，对不同局部范围要用不同的惯性参照系。物体之间的引力的作用，就在于决定各个局部惯性系之间的联系。
用几何的语言来说，各个不同的局部范围的惯性参照系之间的关系，可以通过时空曲率来规定。引力的作用就在于使空时变成弯曲的，而不再是经典力学中的无限延伸的欧几里得几何的绝对空间，也不再是经典力学中的无限延伸的闵可夫斯基空间。
总之，在广义相对论中，时空的性质不是与物体运动无关的。一方面，物体运动的性质要决定于用怎样的空间时间参照系来描写它另一方面时空的性质也决定于物体及其运动本身。
量子论的发展，对时间概念提出了更根本的问题。量子论的结论之一就是：对于一个体系在过去可能存在于什么状态的判断结果，要决定于在现今的测量中做怎样的选择。所以，除非一个体系的过去状态是已经被记录到了这种情况以外，不能认为体系的历史是独立于现今的选择，而存在于过去的时间中的。
这种现在与过去之间的相互关系，是与因果顺序概念十分不同的，暗含于时间概念中的因果序列要求过去的存在应是不依赖现在的。另外，量子论还表明，在10&macr;&sup3;&sup3;厘米、10&macr;&sup3;&sup3;秒这样小的时空尺度中，描写事件顺序的“前”“后”概念将失去意义。
因此，用时间来描述事件发生的顺序，可能并不总是合用的。空间与时间是事物之间的一种次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一种近似。
时空关系
一般意义上讲，时间是物质存在的“持续”属性，空间是物质存在的“广延”属性。
他们都是物质存在的属性，它们的关系不是简单的比例关系也不是简单的转换关系。他们之间的关联是以物质为媒介的，时间和空间都是相对的，对于不同的惯性系来说，时间和空间的尺度是不一样的，他们都会因运动和引力而发生改变，物质引力和物质运动速度会使空间发生弯曲，会把时间压缩，具体的计算过程是非常复杂的，如果有兴趣可以研究一下广义相对论和量子力学等学科，在不同的理论学说中，时间和空间被给与不同的定义含义。
一般老百姓理解的就是简单的欧几里德几何式绝对空间和均匀流逝的古典时间概念。在这种传统意义上的时空概念中，时间和空间都是均匀的、互不相关的。
我们现在关于物体运动的观念来自于伽利略和牛顿。在他们之前，人们相信亚里士多德，他说物体的自然状态是静止的，并且只在受到力或冲击作用时才运动。这样，重的物体比轻的物体下落得更快，因为它受到更大的力将其拉向地球。
详细解释
亚里士多德的传统观点还以为，人们用纯粹思维可以找出制约宇宙的定律：不必要用观测去检验它。所以，伽利略是第一个想看看不同重量的物体是否确实以不同速度下落的人。据说，伽利略从比萨斜塔上将重物落下，从而证明了亚里士多德的信念是错的。这故事几乎不可能是真的，但是伽利略的确做了一些等同的事——将不同重量的球从光滑的斜面上滚下。这情况类似于重物的垂直下落，只是因为速度小而更容易观察而已。伽利略的测量指出，不管物体的重量是多少，其速度增加的速率是一样的。 例如，在一个沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上，你释放一个球，则1秒钟后球的速度为每秒1米，2秒钟后为每秒2米等等，而不管这个球有多重。当然，一个铅锤比一片羽毛下落得更快，那是因为空气对羽毛的阻力引起的。如果一个人释放两个不遭受任何空气阻力的物体，例如两个不同的铅锤，它们则以同样速度下降。 
伽利略的测量被牛顿用来作为他的运动定律的基础。在伽利略的实验中，当物体从斜坡上滚下时，它一直受到不变的外力（它的重量），其效应是它被恒定地加速。这表明，力的真正效应总是改变物体的速度，而不是像原先想像的那样，仅仅使之运动。同时，它还意味着，只要一个物体没有受到外力，它就会以同样的速度保持直线运动。这个思想是第一次被牛顿在1687年出版的《数学原理》一书中明白地叙述出来，并被称为牛顿第一定律。物体受力时发生的现象则由牛顿第二定律所给出：物体被加速或改变其速度时，其改变率与所受外力成比例。（例如，如果力加倍， 则加速度也将加倍。 ）物体的质量（或物质的量）越大，则加速度越小，（以同样的力作用于具有两倍质量的物体则只产生一半的加速度。）小汽车可提供一个熟知的例子，发动机的功率越大，则加速度越大，但是小汽车越重，则对同样的发动机加速度越小。 
除了他的运动定律，牛顿还发现了描述引力的定律：任何两个物体都相互吸引，其引力大小与每个物体的质量成正比。 这样，如果其中一个物体（例如A）的质量加倍， 则两个物体之间的引力加倍。这是你能预料得到的，因为新的物体A可看成两个具有原先质量的物体， 每一个用原先的力来吸引物体B，所以A和B之间的总力加倍。 其中一个物体质量大到原先的2倍，另一物体大到3倍，则引力就大到6倍。现在人们可以看到， 何以落体总以同样的速率下降：具有2倍重量的物体受到将其拉下的2倍的引力， 但它的质量也大到两倍。按照牛顿第二定律，这两个效应刚好互相抵消，所以在所有情形下加速度是同样的。 
牛顿引力定律还告诉我们，物体之间的距离越远，则引力越小。牛顿引力定律讲，一个恒星的引力只是一个类似恒星在距离小一半时的引力的4分之1。这个定律极其精确地预言了地球、月亮和其他行星的轨道。如果这定律变为恒星的万有引力随距离减小得比这还快，则行星轨道不再是椭圆的，它们就会以螺旋线的形状盘旋到太阳上去。如果引力减小得更慢，则远处恒星的引力将会超过地球的引力。 
亚里士多德和伽利略——牛顿观念的巨大差别在于，亚里士多德相信存在一个优越的静止状态，任何没有受到外力和冲击的物体都采取这种状态。特别是他以为地球是静止的。但是从牛顿定律引出，并不存在一个静止的唯一标准。人们可以讲，物体A静止而物体B以不变的速度相对于物体A运动， 或物体B静止而物体A运动，这两种讲法是等价的。例如，我们暂时将地球的自转和它绕太阳的公转置之一旁，则可以讲地球是静止的，一列火车以每小时90英哩的速度向北前进，或火车是静止的，而地球以每小时90英哩的速度向南运动。如果一个人在火车上以运动的物体做实验，所有牛顿定律都成立。例如，在火车上打乓乒球，将会发现，正如在铁轨边上一张台桌上一样，乓乒球服从牛顿定律，所以无法得知是火车还是地球在运动。 
缺乏静止的绝对的标准表明，人们不能决定在不同时间发生的两个事件是否发生在空间的同一位置。例如，假定在火车上我们的乓乒球直上直下地弹跳，在一秒钟前后两次撞到桌面上的同一处。在铁轨上的人来看，这两次弹跳发生在大约相距100米的不同的位置， 因为在这两回弹跳的间隔时间里，火车已在铁轨上走了这么远。这样，绝对静止的不存在意味着，不能像亚里士多德相信的那样，给事件指定一个绝对的空间的位置。事件的位置以及它们之间的距离对于在火车上和铁轨上的人来讲是不同的，所以没有理由以为一个人的处境比他人更优越。 
牛顿对绝对位置或被称为绝对空间的不存在感到非常忧虑，因为这和他的绝对上帝的观念不一致。事实上，即使绝对空间的不存在被隐含在他的定律中，他也拒绝接受。因为这个非理性的信仰，他受到许多人的严厉批评，最有名的是贝克莱主教，他是一个相信所有的物质实体、空间和时间都是虚妄的哲学家。当人们将贝克莱的见解告诉著名的约翰逊博士时， 他用脚尖踢到一块大石头上， 并大声地说：“我要这样驳斥它！” 
亚里士多德和牛顿都相信绝对时间。也就是说，他们相信人们可以毫不含糊地测量两个事件之间的时间间隔，只要用好的钟，不管谁去测量，这个时间都是一样的。时间相对于空间是完全分开并独立的。这就是大部份人当作常识的观点。然而，我们必须改变这种关于空间和时间的观念。虽然这种显而易见的常识可以很好地对付运动甚慢的诸如苹果、行星的问题，但在处理以光速或接近光速运动的物体时却根本无效。 
光以有限但非常高的速度传播的这一事实，由丹麦的天文学家欧尔?克里斯琴森?罗麦于1676年第一次发现。他观察到，木星的月亮不是以等时间间隔从木星背后出来，不像如果月亮以不变速度绕木星运动时人们所预料的那样。当地球和木星都绕着太阳公转时，它们之间的距离在变化着。罗麦注意到我们离木星越’远则木星的月食出现得越晚。他的论点是，因为当我们离开更远时，光从木星月亮那儿要花更长的时间才能达到我们这儿。然而，他测量到的木星到地球的距离变化不是非常准确，所以他的光速的数值为每秒140000英哩，而现在的值为每秒186000英哩。尽管如此，罗麦不仅证明了光以有限速度运动，并且测量了光速，他的成就是卓越的——要知道，这一切都是在牛顿发表《数学原理》之前11年进行的。 
直到1865年，当英国的物理学家詹姆士?马克斯韦成功地将当时用以描述电力和磁力的部分理论统一起来以后，才有了光传播的真正的理论。马克斯韦方程预言，在合并的电磁场中可以存在波动的微扰，它们以固定的速度，正如池塘水面上的涟漪那样运动。 如果这些波的波长（两个波峰之间的距离）为1米或更长一些，这就是我们所谓的无线电波。更短波长的波被称做微波（几个厘米）或红外线（长于万分之一厘米）。可见光的波长在百万分之40到百万分之80厘米之间。更短的波长被称为紫外线、X射线和伽玛射线。 
马克斯韦理论预言，无线电波或光波应以某一固定的速度运动。但是牛顿理论已经摆脱了绝对静止的观念，所以如果假定光是以固定的速度传播，人们必须说清这固定的速度是相对于何物来测量的。这样人们提出，甚至在“真空”中也存在着一种无所不在的称为“以太”的物体。正如声波在空气中一样，光波应该通过这以太传播，所以光速应是相对于以太而言。相对于以太运动的不同观察者，应看到光以不同的速度冲他们而来，但是光对以太的速度是不变的。特别是当地球穿过以太绕太阳公转时，在地球通过以太运动的方向测量的光速（当我们对光源运动时）应该大于在与运动垂直方向测量的光速（当我们不对光源运动时）。1887年，阿尔贝特?麦克尔逊（后来成为美国第一个物理诺贝尔奖获得者）和爱德华?莫雷在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了非常仔细的实验。他们将在地球运动方向以及垂直于此方向的光速进行比较，使他们大为惊奇的是，他们发现这两个光速完全一样！ 
在1887年到1905年之间，人们曾经好几次企图去解释麦克尔逊——莫雷实验。最著名者为荷兰物理学家亨得利克?罗洛兹，他是依据相对于以太运动的物体的收缩和钟变慢的机制。然而，一位迄至当时还不知名的瑞士专利局的职员阿尔贝特?爱因斯坦，在1905年的一篇著名的论文中指出，只要人们愿意抛弃绝对时间的观念的话，整个以太的观念则是多余的。几个星期之后，一位法国最重要的数学家亨利?彭加勒也提出类似的观点。爱因斯坦的论证比彭加勒的论证更接近物理，因为后者将此考虑为数学问题。通常这个新理论是归功于爱因斯坦，但彭加勒的名字在其中起了重要的作用。 
这个被称之为相对论的基本假设是，不管观察者以任何速度作自由运动，相对于他们而言，科学定律都应该是一样的。这对牛顿的运动定律当然是对的，但是现在这个观念被扩展到包括马克斯韦理论和光速：不管观察者运动多快，他们应测量到一样的光速。这简单的观念有一些非凡的结论。可能最著名者莫过于质量和能量的等价，这可用爱因斯坦著名的方程E=mc^2来表达（这儿E是能量，m是质量，c是光速），以及没有任何东西能运动得比光还快的定律。由于能量和质量的等价，物体由于它的运动所具的能量应该加到它的质量上面去。换言之，要加速它将变得更为困难。这个效应只有当物体以接近于光速的速度运动时才有实际的意义。例如，以10%光速运动的物体的质量只比原先增加了0.5%， 而以90%光速运动的物体，其质量变得比正常质量的2倍还多。 当一个物体接近光速时，它的质量上升得越来越快，它需要越来越多的能量才能进一步加速上去。实际上它永远不可能达到光速，因为那时质量会变成无限大，而由质量能量等价原理，这就需要无限大的能量才能做到。由于这个原因，相对论限制任何正常的物体永远以低于光速的速度运动。只有光或其他没有内禀质量的波才能以光速运动。 
相对论的一个同等卓越的成果是，它变革了我们对空间和时间的观念。在牛顿理论中，如果有一光脉冲从一处发到另一处，（由于时间是绝对的）不同的观测者对这个过程所花的时间不会有异议，但是他们不会在光走过的距离这一点上取得一致的意见（因为空间不是绝对的）。由于光速等于这距离除以所花的时间，不同的观察者就测量到不同的光速。另一方面，在相对论中，所有的观察者必须在光是以多快的速度运动上取得一致意见。然而，他们在光走过多远的距离上不能取得一致意见。所以现在他们对光要花多少时间上也不会取得一致意见。（无论如何，光所花的时间正是用光速——这一点所有的观察者都是一致的——去除光所走的距离——这一点对他们来说是不一致的。）总之，相对论终结了绝对时间的观念！这样，每个观察者都有以自己所携带的钟测量的时间，而不同观察者携带的同样的钟的读数不必要一致。 
图2.1 时间用垂直坐标测量， 离开观察者的距离用水平坐标测量。观察者在空间和时间里的途径用左边的垂线表示。到事件去和从事件来的光线的途径用对角线表示。 
每个观察者都可以用雷达去发出光脉冲或无线电波来测定一个事件在何处何时发生。脉冲的一部分由事件反射回来后，观察者可在他接收到回波时测量时间。事件的时间可认为是发出脉冲和脉冲反射回来被接收的两个时刻的中点；而事件的距离可取这来回过程时间的一半乘以光速。（在这意义上，一个事件是发生在指定空间的一点以及指定时间的一点的某件事。 ）这个意思已显示在图2.1上。这是空间——时间图的一个例子。利用这个步骤，作相互运动的观察者对同一事件可赋予不同的时间和位置。没有一个特别的观察者的测量比任何其他人更正确，但所有这些测量都是相关的。只要一个观察者知道其他人的相对速度，他就能准确算出其他人该赋予同一事件的时间和位置。 
现在我们正是用这种方法来准确地测量距离，因为我们可以比测量长度更为准确地测量时间。 
实际上， 
米是被定义为光在以铂原子钟测量的O.000000003335640952秒内走过的距离（取这个特别的数字的原因是，因为它对应于历史上的米的定义——按照保存在巴黎的特定铂棒上的两个刻度之间的距离）。同样，我们可以用叫做光秒的更方便更新的长度单位，这就是简单地定义为光在一秒走过的距离。现在，我们在相对论中按照时间和光速来定义距离，这样每个观察者都自动地测量出同样的光速（按照定义为每0.000000003335640952秒之1米） 。没有必要引入以太的观念，正如麦克尔逊——莫雷实验显示的那样，以太的存在是无论如何检测不到的。然而，相对论迫使我们从根本上改变了对时间和空间的观念。我们必须接受的观念是：时间不能完全脱离和独立于空间，而必须和空间结合在一起形成所谓的空间——时间的客体。 
我们通常的经验是可以用三个数或坐标去描述空间中的一点的位置。譬如，人们可以说屋子里的一点是离开一堵墙7英尺， 离开另一堵墙3英尺，并且比地面高5英尺。人们也可以用一定的纬度、经度和海拔来指定该点。人们可以自由地选用任何三个合适的坐标，虽然它们只在有限的范围内有效。人们不是按照在伦敦皮卡迪里圆环以北和以西多少英哩以及高于海平面多少英尺来指明月亮的位置，而是用离开太阳、离开行星轨道面的距离以及月亮与太阳的连线和太阳与临近的一个恒星——例如α－半人马座——连线之夹角来描述之。甚至这些坐标对于描写太阳在我们星系中的位置，或我们星系在局部星系群中的位置也没有太多用处。事实上，人们可以用一族互相交迭的坐标碎片来描写整个宇宙。在每一碎片中，人们可用不同的三个坐标的集合来指明点的位置。 
一个事件是发生于特定时刻和空间中特定的一点的某种东西。这样，人们可以用四个数或坐标来确定它，并且坐标系的选择是任意的；人们可以用任何定义好的空间坐标和一个任意的时间测量。在相对论中，时间和空间坐标没有真正的差别，犹如任何两个空间坐标没有真正的差别一样。譬如可以选择一族新的坐标，使得第一个空间坐标是旧的第一和第二空间坐标的组合。例如，测量地球上一点位置不用在伦敦皮卡迪里圆环以北和以西的哩数，而是用在它的东北和西北的哩数。类似地，人们在相对论中可以用新的时间坐标，它是旧的时间（以秒作单位）加上往北离开皮卡迪里的距离（以光秒为单位）。 
将一个事件的四坐标作为在所谓的空间——时间的四维空间中指定其位置的手段经常是有助的。对我来说，摹想三维空间已经足够困难！然而很容易画出二维空间图，例如地球的表面。（地球的表面是两维的，因为它上面的点的位置可以用两个坐标，例如纬度和经度来确定。）通常我将使用二维图，向上增加的方向是时间，水平方向是其中的一个空间坐标。不管另外两个空间坐标，或者有时用透视法将其中一个表示出来。（这些被称为空间——时间图，如图2.1所示。）例如，在图2.2中时间是向上的，并以年作单位，而沿着从太阳到α—半人马座连线的距离在水平方向上以英哩来测量。太阳和α—半人马座通过空间——时间的途径是由图中的左边和右边的垂直线来表示。 从太阳发出的光线沿着对角线走，并且要花4年的时间才能从太阳走到α—半人马座。 
正如我们已经看到的，马克斯韦方程预言，不管光源的速度如何，光速应该是一样的，这已被精密的测量所证实。这样，如果有一个光脉冲从一特定的空间的点在一特定的时刻发出，在时间的进程中，它就会以光球面的形式发散开来，而光球面的形状和大小与源的速度无关。 在百万分之一秒后，光就散开成一个半径为300米的球面； 百万分之二秒后，半径变成600米；等等。这正如同将一块石头扔到池塘里，水表面的涟漪向四周散开一样，涟漪以圆周的形式散开并越变越大。如果将三维模型设想为包括二维的池塘水面和一维时间，这些扩大的水波的圆圈就画出一个圆锥， 其顶点即为石头击到水面的地方和时间（图2.3）。类似地，从一个事件散开的光在四维的空间——时间里形成了一个三维的圆锥，这个圆锥称为事件的未来光锥。以同样的方法可以画出另一个称之为过去光锥的圆锥，它表示所有可以用一光脉冲传播到该事件的事件的集合（图2.4）。 
一个事件P的过去和将来光锥将空间——时间分成三个区域（图2.5）：这事件的绝对将来是P的将来光锥的内部区域，这是所有可能被发生在P的事件影响的事件的集合。从P出发的信号不能传到P光锥之外的事件去，因为没有东西比光走得更快，所以它们不会被P发生的事情所影响。过去光锥内部区域的点是P的绝对过去，它是所有这样的事件的集合，从该事件发出的以等于或低于光速的速度传播的信号可到达P。所以，这是可能影响事件P的所有事件的集合。如果人们知道过去某一特定时刻在事件P的过去光锥内发生的一切，即能预言在P将会发生什么。空间——时间的其余部分即是除P的将来和过去光锥之外的所有事件的集合。 这一部分的事件既不受P的影响，也不能影响P。例如，假定太阳就在此刻停止发光，它不会对此刻的地球发生影响， 因为地球的此刻是在太阳熄灭这一事件的光锥之外（图2.6）。我们只能在8分钟之后才知道这一事件， 这是光从太阳到达我们所花的时间。只有到那时候，地球上的事件才在太阳熄灭这一事件的将来光锥之内。同理，我们也不知道这一时刻发生在宇宙中更远地方的事：我们看到的从很远星系来的光是在几百万年之前发出的，在我们看到的最远的物体的情况下，光是在80亿年前发出的。这样当我们看宇宙时，我们是在看它的过去。 
如果人们忽略引力效应，正如1905年爱因斯坦和彭加勒所做的那样，人们就得到了称为狭义相对论的理论。对于空间——时间中的每一事件我们都可以做一个光锥（所有从该事件发出的光的可能轨迹的集合），由于在每一事件处在任一方向的光的速度都一样，所以所有光锥都是全等的，并朝着同一方向。这理论又告诉我们，没有东西走得比光更快。这意味着，通过空间和时间的任何物体的轨迹必须由一根落在它上面的每一事件的光锥之内的线来表示（图2.7）。 
狭义相对论非常成功地解释了如下事实：对所有观察者而言，光速都是一样的（正如麦克尔逊——莫雷实验所展示的那样），并成功地描述了当物体以接近于光速运动时的行为。然而，它和牛顿引力理论不相协调。牛顿理论说，物体之间的吸引力依赖于它们之间的距离。这意味着，如果我们移动一个物体，另一物体所受的力就会立即改变。或换言之，引力效应必须以无限速度来传递，而不像狭义相对论所要求的那样，只能以等于或低于光速的速度来传递。爱因斯坦在1908年至1914年之间进行了多次不成功的尝试， 企图去找一个和狭义相对论相协调的引力理论。1915年，他终于提出了今天我们称之为广义相对论的理论。 
爱因斯坦提出了革命性的思想，即引力不像其他种类的力，而只不过是空间——时间不是平坦的这一事实的后果。正如早先他假定的那样，空间——时间是由于在它中间的质量和能量的分布而变弯曲或“翘曲”的。像地球这样的物体并非由于称为引力的力使之沿着弯曲轨道运动，而是它沿着弯曲空间中最接近于直线的称之为测地线的轨迹运动。一根测地线是两邻近点之间最短（或最长）的路径。例如，地球的表面是一弯曲的二维空间。地球上的测地线称为大圆，是两点之间最近的路（图2.8） 。由于测地线是两个机场之间的最短程，这正是领航员叫飞行员飞行的航线。在广义相对论中，物体总是沿着四维空间——时间的直线走。尽管如此，在我们的三维空间看起来它是沿着弯曲的途径（这正如同看一架在非常多山的地面上空飞行的飞机。虽然它沿着三维空间的直线飞，在二维的地面上它的影子却是沿着一条弯曲的路径）。 
图2.8 
太阳的质量引起空间——时间的弯曲，使得在四维的空间——时间中地球虽然沿着直线的轨迹，它却让我们在三维空间中看起来是沿着一个圆周运动。事实上，广义相对论预言的行星轨道几乎和牛顿引力理论所预言的完全一致。然而，对于水星，这颗离太阳最近、受到引力效应最强、并具有被拉得相当长的轨道的行星，广义相对论预言其轨道椭圆的长轴绕着太阳以大约每1万年1度的速率进动。这个效应虽然小，但在1915年前即被人们注意到了，并被作为爱因斯坦理论的第一个验证。近年来，其他行星的和牛顿理论预言的甚至更小的轨道偏差也已被雷达测量到，并且发现和广义相对论的预言相符。 
光线也必须沿着空间——时间的测地线走。空间是弯曲的事实又一次意味着，在空间中光线看起来不是沿着直线走。这样，广义相对论预言光线必须被引力场所折弯。譬如，理论预言，由于太阳的质量的缘故，太阳近处的点的光锥会向内稍微偏折。这表明，从远处恒星发出的刚好通过太阳附近的光线会被折弯很小的角度，对于地球上的观察者而言， 这恒星显得是位于不同的位置（图2.9）。当然，如果从恒星来的光线总是在靠太阳很近的地方穿过，则我们无从知道这光线是被偏折了，还是这恒星实际上就是在我们所看到的地方。然而，当地球绕着太阳公转，不同的恒星从太阳后面通过，并且它们的光线被偏折。所以，相对于其他恒星而言，它们改变了表观的位置。 
在正常情况下，去观察到这个效应是非常困难的，这是由于太阳的光线使得人们不可能观看天空上出现在太阳附近的恒星。然而，在日食时就可能观察到，这时太阳的光线被月亮遮住了。由于第一次世界大战正在进行，爱因斯坦的光偏折的预言不可能在1915年立即得到验证。直到1919年，一个英国的探险队从西非观测日食，指出光线确实像理论所预言的那样被太阳所偏折。这次德国人的理论为英国人所证明被欢呼为战后两国和好的伟大行动。具有讽刺意味的是，后来人们检查这回探险所拍的照片，发现其误差和所企图测量的效应同样大。他们的测量纯属是运气，或是已知他们所要得的结果的情形，这在科学上是普遍发生的。然而，光偏折被后来的许多次观测准确地证实。 
另一广义相对论的预言是，在像地球这样的大质量的物体附近，时间显得流逝得更慢一些。这是因为光能量和它的频率（每秒钟里光振动的次数）有一关系：能量越大，则频率越高。当光从地球的引力场往上走，它失去能量，因而其频率下降（这表明两个波峰之间的时间间隔变大）。从在上面的某个人来看，下面发生的每一件事情都显得需要更长的时间。利用一对安装在一个水塔的顶上和底下的非常准确的钟，这个预言在1962年被验证到。发现底下的那只更接近地球的钟走得更慢些，这和广义相对论完全一致。地球上的不同高度的钟的速度不同，这在目前具有相当的实用上的重要性，这是因为人们要用卫星发出的信号来作非常精确的导航。如果人们对广义相对论的预言无知，所计算的位置将会错几英哩！ 
牛顿运动定律使空间中绝对位置的观念告终。而相对论摆脱了绝对时间。考虑一对双生子，假定其中一个孩子去山顶上生活，而另一个留在海平面，第一个将比第二个老得快。这样，如果他们再次相会，一个会比另一个更老。在这种情形下，年纪的差别非常小。但是，如果有一个孩子在以近于光速运动的空间飞船中作长途旅行，这种差别就会大得多。当他回来时，他会比留在地球上另一个人年轻得多。这即是被称为双生子的佯谬。但是，只是对于头脑中仍有绝对时间观念的人而言，这才是佯谬。在相对论中并没有一个唯一的绝对时间，相反地，每个人都有他自己的时间测度，这依赖于他在何处并如何运动。 
1915年之前，空间和时间被认为是事件在其中发生的固定舞台，而它们不受在其中发生的事件的影响。即便在狭义相对论中，这也是对的。物体运动，力相互吸引并排斥，但时间和空间则完全不受影响地延伸着。空间和时间很自然地被认为无限地向前延伸。 
然而在广义相对论中，情况则相当不同。这时，空间和时间变成为动力量：当一个物体运动时，或一个力起作用时，它影响了空间和时间的曲率；反过来，空间——时间的结构影响了物体运动和力作用的方式。空间和时间不仅去影响、而且被发生在宇宙中的每一件事所影响。正如一个人不用空间和时间的概念不能谈宇宙的事件一样，同样在广义相对论中，在宇宙界限之外讲空间和时间是没有意义的。 
在以后的几十年中，对空间和时间的新的理解是对我们的宇宙观的变革。古老的关于基本上不变的、已经存在并将继续存在无限久的宇宙的观念，已为运动的、膨胀的并且看来是从一个有限的过去开始并将在有限的将来终结的宇宙的观念所取代。这个变革正是下一章的内容。几年之后又正是我研究理论物理的起始点。罗杰?彭罗斯和我指出，从爱因斯坦广义相对论可推断出，宇宙必须有个开端，并可能有个终结。 
《时间、空间》还是意大利诗人马里内蒂的一首诗
啊，时间！
我要向你发起攻击,
斩断你的翅翼，
窒息你的时针哮喘的声音！
时间，空间，
你们是世界的唯一主宰，
我向你们宣战，
向你们反叛！
啊，时间！
你用这布满
山峦、田野和城市的
弯弯曲曲的地平线，
像绞索一般
套住我的脖颈，
从绞索
到颤动的脖颈的空隙，
就是你赐给我的全部自由！
我命令你，空间，
立即松开绞索，
松开，再松开，
直到它断裂！
你，可诅咒的时间，
也快快松开
罪恶的绞索，
停止我的行动，
抛弃
控制和窒息我的生命的勾当。
时间！空间！
如果我在十秒的瞬间
横越这辽阔的地球，
哈哈，你们必定脸色蜡黄，
你们千年强权统治的基石
将在你们脚下
发生索索颤抖的哭泣。
你们，听着，
我的发动机
有着惊人的速度。
你们理应知道，
所有的公里并不一般长，
有的公里三百公尺，
有的——八百公尺，
有的钟点迅如闪电，
有的钟点酣睡沉沉。
一切都缺乏秩序和精确！
我，一个强者，
能够使一个钟点
具有一个星期的生命，
或者，把钟点
像柠檬一般
紧紧捏在坚硬的手心里，
挤出一刻钟的
乳汁！
时间！空间！
你们的力量将被力量所突破！
让时间、空间
向隅而泣吧！
拓变论
空间是有本体的具体存在形态，空间就是场体，物质又可以称为质体，因此物体就包括质体与场体。时间是度量事物演变过程的先后次序、持续长度和发展快慢的参照系。