時空哲學

時空哲學是哲學的一個分支，它關注我們周遭世界的問題，例如本體論，認識論以及空間和時間的特質。這些思想從哲學創立之初便是其核心，時空哲學既是早期分析哲學的靈感來源，也是它的首要關注。該主題側重於許多基本的問題，包括時間和空間是否獨立於心靈，它們是否彼此獨立存在，為什麼時間只在單向流動，是否存在除當前時刻以外的時間，以及關於同一性的問題。

## 古代與中世紀觀點

有關時間的最早哲學記錄來自古埃及思想家普塔霍特普（約公元前2650年至2600年），他說：

只要活著，就跟隨你的欲望，但不要超過它的欲求，也不要虛度時光，因為浪費時間就是背離靈魂。

公元前2世紀的文獻《吠陀》是印度哲學和印度教哲學的最初文本，它描述了古代印度教的世界觀，其中宇宙經歷了創造、毀滅和重生的循環，每個循環持續 4,320,000 年。包括巴門尼德和赫拉克利特在內的古希臘哲學家也寫了一些關於時間本質的文章。

印加人將空間和時間視為一個單一的概念，他們將之稱為帕查（pacha，pacha）。

柏拉圖在《蒂邁歐篇》中將時間等同於天體的運動周期，將空間等同於事物將達成的存在。亞里斯多德在《物理學》第四卷中將時間定義為此刻相對之前和之後的變化次數，並將物體的位置定義為它內部的靜止邊界。

聖奧古斯丁在《懺悔錄》第 11 卷中思考了時間的本質，他問道：「那麼，什麼是時間？如果沒有人問我，我倒是知道；但如果要我將它給解釋別人，我不知道。」接著，他描述了思考時間的困難，他指出日常語言的模糊之處：「我們日常談論事物的方式都是不正確的，但即使我們以不正確的方式談論它們，我們依舊可以得到完好的理解。」在討論時間的問題時，奧古斯丁提出了首個對世界現實的論證（反對亞里斯多德），他說，我們對時間的認識取決於我們對事物運動的認識。因此，當沒有可度量時間的生物在場時，時間不再存在（懺悔書 XI ¶30；上帝之城書 XI ch.6）。

與相信宇宙沒有開端的古希臘哲學家相反，中世紀哲學家和神學家相信宇宙存在一個有限的過去，這個概念現在被稱為時間有限論。基督教哲學家約翰·菲洛波努斯提出了早期的論點，這個觀點被後來的基督教哲學家和神學家採用，其形式為「不可能存在一個實際的無限」，這個觀點如下：

前提1：「實際的無限是不可能存在的。」

前提2：「一段無限的時間能夠容納無限的事件。」

推論：「不可能存在一段無限的時間，其中容納有無限的事件。」

11 世紀初，伊斯蘭教物理學家海什木在他的《光學之書》（1021）中討論了我們對空間的感知及其在認識論中的含義。他還通過幾何演示駁斥了亞里斯多德對拓撲（《物理學》第四章）的定義，他將地點定義為數學空間擴展。海什木的實驗顯示了人的內在概念對視覺空間感知的影響。他將對空間的視覺感知與身體的先驗概念結合到了一起，海什木明確拒斥了空間感知的直接性，因此也拒絕了視覺的自主性。他認為如果事先沒有距離和大小相關的概念，視覺幾乎無法告訴我們任何東西。

## 實在論與反實在論

本體論中傳統的實在論認為，時間和空間獨立於人的思想存在。相比之下，唯心主義者懷疑或否認外在對象的存在。另外，有一些反實在論者承認心靈之外的對象確實存在，但他們懷疑時間和空間的獨立存在。

1781年，伊曼紐爾·康德出版了《純粹理性批判》，這是哲學史上關於時空概念的最有影響的著作之一。在書中，康德將時間描述為一種先驗概念，它與空間等其他先驗概念一起，賦予我們對感官體驗的理解。康德認為空間和時間都不是物質，它們既非實體，也非經驗。他認為這兩者都是我們用來構建經驗系統的框架元素。對空間的測量用於量化對象之間的距離，對時間測量用於比較事件之間的間隔（或持續時間）。儘管就此而言，空間和時間就成了超驗的理想之物——它們依賴心靈而存在，但它們在經驗上仍是真實的。根據康德的定義，這些只是經驗的先驗特徵，並不表示它們是「主觀」可變的，或僅僅是意識的偶然感知。

一些唯心主義作家，例如約翰·麥克塔加特在《時間的不實在性》中認為時間是一種幻覺（另見下文時間的流逝部分）。

這裡討論的作家大多是時間和空間方面的實在主義者。例如，戈特弗里德·萊布尼茨認為他的單子存在，至少是獨立於觀察者的思想而存在。

## 絕對主義和相對主義

### 萊布尼茨和牛頓

對空間和時間是真實存在還是僅僅是觀念的大辯論始於物理學家艾薩克·牛頓（通過他的發言人塞繆爾·克拉克）和萊布尼茲的通信，也就是萊布尼茨-克拉克通信。

萊布尼茨反對牛頓的絕對主義立場，他提出了許多思想實驗，為了表明絕對位置和絕對速度的假設是存在問題的。他的觀點主要體現在兩個核心的哲學原則上：充足理由律和不可分者同一性原理。充分理由律認為，對於每一個事實，都有一個理由能夠解釋它是什麼，以及何為所是。不可分者同一性原理認為，如果無法對兩個實體作出區分，那麼它們就是相同的。

萊布尼茨使用的例子涉及位於絕對空間中的兩個不同的子空間。這兩個子空間之間唯一的明顯區別是後者位於前者左側五英尺處。這個例子只有在絕對空間存在的情況下才有可能。然而，根據萊布尼茨的說法，這種情況是不可能的，因為如果按照前面的描述，這兩個空間在絕對空間中的位置就無法達成充分的理由，因為它們的絕對位置是無法確定的。因此，它與充足理由律相矛盾。此外，在牛頓的絕對空間中可能存在兩個截然不同的子空間，它們在所有方面都是不可辨認的，從而與不可分者同一性原理相矛盾。

克拉克（牛頓的發言人）對萊布尼茨論點的回應中最引人注目的是水桶理論：如果我們把裝水的水桶掛在繩子上並開始旋轉，水桶中的水也會開始旋轉，此時水的表面會變成凹形。如果我們手動停止水桶的轉動，水將繼續旋轉，而它在繼續旋轉的同時，表面將保持凹形。水的凹面顯然不是水桶和水相互作用的結果，因為水桶剛開始旋轉時，水的表面是平的，當水開始旋轉後它才變成凹面，當水桶停止時它仍然是凹面。

克拉克認為有必要用絕對空間的存在來解釋諸如旋轉和加速度這些現象。克拉克認為，由於水面的曲率變化發生在旋轉的水以及包含旋轉水的靜止桶中，因此只能通過除了水和水桶外的第三個事物（也即絕對空間）的存在來解釋這一現象。

對此，萊布尼茨描述了一個空間，它只作為對象之間的互動關係而存在，在那些對象的互動以外，它不再存在。於是，運動僅作為這些對象之間的關係而存在。牛頓的絕對空間提供了物體運動的絕對參考系。在牛頓的系統中，參考系獨立於其中的對象而存在。於是這些對象物體可以被描述為相對於空間本身移動。在隨後的兩個世紀裡，凹形水面作為絕對空間的證據具有相當的權威。

### 馬赫

這場辯論中的另一個重要人物是19世紀的物理學家恩斯特·馬赫。雖然他沒有否認水桶論證中描述的現象，但他仍然否認了絕對空間的結論，他認為對水桶相對於什麼旋轉：天上的恆星提供了不同的答案。

馬赫認為，像旋轉的水桶這樣的思想實驗是有問題的。如果我們想像一個只包含一個桶的宇宙，根據牛頓的說法，這個桶可以設置為相對於絕對空間旋轉，它所包含的水將形成凹面。但在一個不包含任何其它物體的宇宙中，我們很難確定水桶確實是在旋轉。所以此時桶中的水面似乎仍可能保持平坦。

馬赫認為，實際上，在空無一物的宇宙中進行的水桶實驗將保持平坦的水面。但如果此時我們將另一個物體引入到這個宇宙中，例如一顆遙遠的恆星，那麼現在我們就有了一個可供參照的東西，桶可以被看作是相對於它而旋轉的。於是桶內的水可能就會有輕微的彎曲。為了解釋我們觀察到的彎曲水面，宇宙中物體數量的增加同時也會增加水的曲率。馬赫認為，一個物體的動量，無論是角動量還是線動量，都是宇宙中其他物體的共同影響的結果（馬赫原理）。

### 愛因斯坦

愛因斯坦提出，物理定律應該建立在相對論的基礎上。相對論認為，無論使用何種參考系，應用在觀察者上的物理規則都必須相同，並且光在所有參考系中都以相同的速度傳播。這一理論是由麥克斯韋方程組定義的，該方程組可以推導出電磁波在真空中以光速傳播。然而，麥克斯韋方程沒有給出這個速度是相對於哪個參考系。在愛因斯坦之前，人們認為這個速度是相對於一種稱為以太的固定介質而存在的。狹義相對論否定了以太的理論，它認為光在所有慣性系中都以光速傳播，並探討的這一推論的引申意涵。

所有對光速相對性的測試都以失敗告終，所以這也間接肯定了愛因斯坦有關光速理論的正確性。狹義相對論描述的世界不包含絕對參考系，既沒有絕對空間也沒有以太。隨後，愛因斯坦通過等效原理將相對論推廣到了非慣性參考系。等效原理指出，觀察者在引力場中感受到的力和在加速場中感受到的力是無法區分的，那麼這也就是說，物體的質量扭曲了它附近的時空幾何，正如愛因斯坦場方程所描述的那樣。

愛因斯坦部分贊成馬赫原理，認為遙遠的恆星可以解釋慣性力，因為它們的引力場部分阻礙了物體的加速，從而產生了慣性力。但與萊布尼茨的說法相反，愛因斯坦認為這種時空的扭曲以及物體的其他特徵（例如體積、質量）都是物體不可分割的一部分。於是，假如一個人持有與唯心主義者相反的觀點，即認為物體獨立於我們的心靈存在，那麼根據相對論的推論，時間和空間也必然獨立於我們心靈的存在。

## 約定論

約定論（Conventionalism）指出，關於空間和時間的幾何形狀只是約定俗成的。這種觀點的首位支持者亨利·龐加萊。當龐加萊了解到全新的非歐幾里得幾何時，他開始認為，將哪種幾何應用於空間對象是由慣例決定的，對於我們生活的球形世界，不同的幾何都具備描述對象的良好能力。

這一觀點被賴欣巴哈提出並發展，並納入了相對論物理學的考慮。賴欣巴哈的約定論適用於空間和時間，它們主要關註定義的協調。

約定論的定義主要體現在兩個方面。首先，它與長度單位的協調有關，因為我們永遠無法直接理解長度。我們必須藉助一些物理對象，例如國際計量局的標準米，或者鎘的波長，以此作為我們的度量單位。其次，它涉及到物體的分離。儘管我們可以大概的確定兩根相鄰的測量尺長度是否相等，但假如它們並非相鄰而是相距甚遠，我們就會發現我們不能說它們總是等長的。這種不可能性破壞了我們確定兩個相互遠離的物體長度是否等同的能力。所以，長度的等同性必須通過坐標定義來推出。

賴欣巴哈認為，通過對光速的定義，這樣的坐標定義實際上已經在廣義相對論默認使用了。最終，這種坐標定義也就確定了時空幾何。

正如絕對主義/相對主義的辯論，當代哲學對於約定論學說的正確性仍存在分歧。

## 時空結構

以下是時空哲學和物理哲學對時間和空間結構的探討。

### 同時的相對性

根據狹義相對論，一個事件對於空間中的不同點而言的同時性是相對而言的，空間中的每個點都由一組不同的事件構成它的當前時刻。

### 不變性與協變性

數學家麥可·弗里德曼將絕對主義/相對主義辯論的經驗與19、20世紀發明的強大數學工具結合，對數學轉換時的不變性和協變性進行了區分。

### 歷史框架

這是現代數學方法的進一步應用，試圖用現代數學語言來解釋關於空間和時間的歷史觀點。時空概念的歷史發展始於我們對世界中物體的理論化，然後隨著科學認知的發展，越來越多的人為結構從理論中被移除。例如，亞里斯多德的時空既是絕對的，也存在有特殊的位置，比如宇宙的中心和周長；而牛頓的時空觀是絕對的，並且是伽利略不變的，但沒有特殊位置。

### 空穴論證

由於廣義相對論在很大程度上排除了絕對位置的存在，絕對主義和相對主義之間的傳統爭論已經由對空間位置的爭辯轉移到時空是否是一種實體的討論上。其中，約翰·厄爾曼提出的空穴論證 是這場辯論中一個強力的反方觀點。

## 時間的流向

時間流向的問題直接源於兩個相互矛盾的事實。首先，基本物理定律是時間反演不變的；如果用電影膠片拍攝任何符合物理定律的過程，它的倒放仍是一個物理上可能的過程。然而在宏觀層面上，我們對時間的體驗卻不是反演不變的。玻璃杯會掉到地上摔碎，但地上的碎玻璃卻不會重新組裝好飛回到桌面上。我們有對過去的記憶，卻沒有對未來的記憶。我們無法改變過去，卻可以影響未來。

### 因果律

這個問題的解決方案其一是採用形上學的觀點，它認為時間的方向來自因果關係的不對稱。我們對過去了解得更多，因為過去的事件是我們的感知與經驗來源。

### 熱力學定律

熱力學定律是這個問題的第二種主要解決方案，同時它也是迄今為止研究最多的方案。我們發現，時間方向的存在與熱力學的性質有關。

經典熱力學認為，雖然我們的基本物理理論是時間反演對稱的，但熱力學卻不是。尤其是熱力學第二定律指出，一個封閉系統的淨熵不會減少，這也就解釋了為什麼我們經常看到玻璃碎裂，卻從未看到它們重新聚集。

### 修改基本定律

對時間流逝方向問題的第三種解決方案是修改基本的物理學定律。這個觀點的支持者認為，基本的物理定律不是時間反演對稱的。例如，與弱核力相關的某些量子力學過程就不是時間可逆的。注意，在處理量子力學時，時間可逆性包含了一個更複雜的定義。但這種類型的解決方案仍是不夠的，因為（1）量子力學中的時間不對稱現象太少，無法解釋宏觀上的時間不對稱的均勻性；（2）這個理論假設了量子力學是對物理的最終合理描述。

## 時間的流逝

在分析哲學中，有關時間流逝的問題源於麥克塔格特的一篇論文，在這篇論文中，他提出了兩種「時間序列」。第一個系列被稱為A 系列。A 系列是將時間分辨為過去的，現在的和未來的：一個事件原本處於未來，然後它會來到現在，最後流向過去。其次是 B 系列，B系列消除了對未來、現在和過去這些時間模態的參照，它根據時間關係上的「早於」或「晚於」對所有事件進行排序。某種方面看來，這兩種時間序列支持者之間的爭論可以視為現代早期爭論，即絕對時空（由艾薩克·牛頓辯護）和相對時空（由戈特弗里德·萊布尼茨辯護）爭論的延續。

麥克塔格特在論文《時間的不實在性》中認為時間不是真實的，因為（1）A 系列是不一致的，（2）B 系列本身不能解釋時間的性質，因為 B 系列的一個關鍵特質來自 A 系列。

在此框架的基礎上，我們有兩種不同的解決方案。第一種是針對 A 系列的解決方案，我們將時間的生成作為其中心特徵，並試圖從 A 系列重新構建 B 系列。第二種是針對 B 系列的解決方案，我們認同麥克塔格特對 A 系列的描述，並嘗試從 B 系列中重構 A 系列（例如通過時間索引的方式）。

## 二元性

量子場論模型表明，兩種不同時空背景下的理論，如AdS/CFT或者T-對偶可能是等價的。

## 現在論與永恆主義

根據現在論，時間是各種現實的序列。在某個時刻，有些東西存在，有些則不存在。這是我們可以處理的唯一現實，例如，我們不能說荷馬存在，因為目前他不存在。而另一方面，永恆論者認為時間與其餘三個空間維度沒有什麼不同，它也是一個現實的維度，因此所有事物——無論它位於過去、現在還是未來——都與現在的事物一樣真實。那麼，根據這一理論，荷馬確實存在，但當我們談論一個遙遠的存在，我們仍必須使用某些特殊的詞彙——就如我們談論某個在空間上遙遠的事物一樣（例如當我們談論空間上的事物，我們會使用諸如「附近」、「遠處」、「上面」、「下面」這些方位詞，類似的，在談論時間上的事物時，我們會使用諸如「在過去」、「幾分鐘前」這些時間狀語）。

## 持續論和接續論

持續論認為，如果一個物體要在時間中存在，那麼它就必須在所有的時間中持續的存在（我們可以將它與上一個/下一個時刻的它分開）。而接續論者認為，一個存在於時間中的事物是一個單一的完整存在，如果我們要了解這個物體的完整方面，我們就要考慮到它的所有「時間部分」，或者說所有的存在實例。持續論是我們傳統觀點所抱有的信念，它源自我們的前哲學思想（當我們與某個人交談，我們認為自己是與一個完整的對象，而非一個跨時間對象的一部分交談）。有些持有接續論觀點的哲學家，例如大衛·劉易斯認為，接續論要優於持續論，因為它能考慮到事物的變化。